KR102048120B1 - Switching device, non-volatile memory device, and method of fabricating the same - Google Patents

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KR102048120B1
KR102048120B1 KR1020170103000A KR20170103000A KR102048120B1 KR 102048120 B1 KR102048120 B1 KR 102048120B1 KR 1020170103000 A KR1020170103000 A KR 1020170103000A KR 20170103000 A KR20170103000 A KR 20170103000A KR 102048120 B1 KR102048120 B1 KR 102048120B1
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한국외국어대학교 연구산학협력단
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Abstract

본 발명은 스위칭 소자, 비휘발성 메모리 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 산소 이온의 저장원을 포함하는 제 1 전극; 상기 산소 이온과의 산화 또는 환원 반응에 따라 전기적 또는 자기적 성질 중 적어도 어느 하나의 스위칭이 발생하는 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되고, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 상기 산소 이온의 전달 경로를 제공하는 가역적 컨덕팅 필라멘트를 갖는 브라운밀러라이트 (Brownmille rite) 구조의 산소 이온 전달층을 포함하는 스위칭 소자가 제공된다The present invention relates to a switching device, a nonvolatile memory device and a manufacturing method thereof. According to one embodiment of the invention, the first electrode including a storage source of oxygen ions; A second electrode in which at least one of electrical and magnetic switching occurs in response to an oxidation or reduction reaction with the oxygen ions; And an oxygen of Brown Miller rite structure disposed between the first electrode and the second electrode and having a reversible conducting filament that provides a transfer path of the oxygen ions between the first electrode and the second electrode. There is provided a switching device comprising an ion transport layer.

Description

스위칭 소자, 비휘발성 메모리 소자 및 이의 제조 방법{Switching device, non-volatile memory device, and method of fabricating the same}Switching device, non-volatile memory device and manufacturing method thereof {Switching device, non-volatile memory device, and method of fabricating the same}

본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 스위칭 소자, 비휘발성 메모리 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to semiconductor technology, and more particularly, to a switching device, a nonvolatile memory device, and a manufacturing method thereof.

최근, 디지털 카메라, 태블릿 컴퓨터 및 스마트폰과 같은 휴대용 디지털 응용 기기들의 수요가 증가하면서 비휘발성 메모리 소자의 시장은 급속히 팽창하고 있다. 대표적인 프로그램 가능한 비휘발성 메모리 소자로서 NAND 플래시 메모리 소자가 있다.Recently, as the demand for portable digital application devices such as digital cameras, tablet computers, and smart phones increases, the market for nonvolatile memory devices is expanding rapidly. A typical programmable nonvolatile memory device is a NAND flash memory device.

상기 NAND 플래시 메모리 소자는 멀티레벨 구현 및/또는 3 차원 어레이 구조를 통해 저장 용량을 향상시키고 있지만, 그에 수반하는 제조 공정의 어려움의 어려움과 블록 액세스 아키텍쳐에 기인하는 긴 구동 시간이라는 근본적 한계로 인하여 이를 대체할 수 있는 차세대 메모리 소자에 대한 연구가 활발하다. 또한, 집적도의 향상과 단순화된 구동이 가능한 새로운 스위칭 소자의 개발은 바람직하다.The NAND flash memory device improves storage capacity through a multilevel implementation and / or a three-dimensional array structure, but due to the difficulty of the manufacturing process and the long limitation of the long driving time due to the block access architecture, There is a lot of research into next-generation memory devices that can be replaced. In addition, it is desirable to develop new switching devices that can improve the degree of integration and simplify driving.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 새로운 비휘발성 메모리 동작을 이용하여 다양한 소자로서 그 응용이 확장 가능한 스위칭 소자를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a switching device capable of expanding its application as various devices by using a new nonvolatile memory operation.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기 스위칭 소자를 이용한 데이터의 비휘발성 저장과 고집적화가 가능한 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a nonvolatile memory device capable of nonvolatile storage and high integration of data using the switching device.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a nonvolatile memory device having the aforementioned advantages.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치되고, 산소 이온의 전달 경로를 제공하는 가역적 컨덕팅 필라멘트를 갖는 브라운밀러라이트(brownmillerite) 구조의 산소 이온 전달층을 사용함으로써, 다양한 물성의 변화와 결합되어, 다양한 소자에 적용될 수 있는 가변 스위칭 소자가 제공될 수 있다. According to one embodiment of the invention, by using an oxygen ion transport layer of a brownmillerite structure disposed between a first electrode and a second electrode and having a reversible conducting filament that provides a transport path for oxygen ions In combination with changes in various physical properties, a variable switching device that can be applied to various devices can be provided.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 가변 스위칭 소자를 이용하여, 데이터의 비휘발성 저장과 저전력으로 구동 가능한 비휘발성 메모리 소자가 제공될 수 있다. Further, according to another embodiment of the present invention, a nonvolatile memory device capable of driving nonvolatile storage of data and low power using the variable switching device may be provided.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전술한 이점을 갖는 메모리 소자의 제조 방법이 제공될 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a memory device having the above-described advantages can be provided.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 소자를 도시하는 단면도이고, 도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 소자를 도시하는 단면도이며, 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 비휘발성 메모리 소자의 초기 상태를 도시하고, 도 2b는 전기적 포밍 과정에 의해 비휘발성 메모리 소자 내에 형성된 가역적 컨덕팅 필라멘트를 도시하고, 도 2c는 도 2b의 가역적 컨덕팅 필라멘트를 설명하기 위한 모식도이며, 도 2d는 형성된 가역적 컨덕팅 필라멘트가 붕괴된 상태를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SFO의 산소 이온 전달층을 갖는 메모리 셀의 전류-전압 거동을 도시하는 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 형성된 비휘발성 메모리 소자의 초기 상태를 도시하고, 도 5b는 셋 상태의 비휘발성 메모리 소자 내에 형성된 가역적 컨덕팅 필라멘트를 도시하고, 도5c는 형성된 가역적 컨덕팅 필라멘트가 붕괴된 상태를 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀러 지수 (111) 방향으로 결정화된 SFO의 산소 이온 전달층을 갖는 메모리 셀의 전류-전압 거동을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고상 디스크(이하, SSD)를 포함하는 저장 장치를 도시하는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메모리 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 데이터 저장 장치를 도시하는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자 및 이를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 도시하는 블록도이다.
Figure 1a is a cross-sectional view showing a switching element according to an embodiment of the present invention, Figure 1b is a cross-sectional view showing a switching element according to another embodiment of the present invention, Figure 1c is a ratio according to an embodiment of the present invention A perspective view of a volatile memory device.
FIG. 2A illustrates an initial state of a nonvolatile memory device formed in accordance with an embodiment of the present invention, FIG. 2B illustrates a reversible conducting filament formed in the nonvolatile memory device by an electrical forming process, and FIG. 2C illustrates FIG. 2B It is a schematic diagram for explaining the reversible conducting filament of, Figure 2d is a cross-sectional view showing a state in which the formed reversible conducting filament collapsed.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to various embodiments of the present disclosure.
4 is a graph illustrating the current-voltage behavior of a memory cell with an oxygen ion transport layer of an SFO according to one embodiment of the invention.
FIG. 5A illustrates an initial state of a nonvolatile memory device formed in accordance with another embodiment of the present invention, FIG. 5B illustrates a reversible conducting filament formed in a nonvolatile memory device in a set state, and FIG. 5C illustrates a reversible conducting formed. It is sectional drawing which shows the state which a filament collapsed.
FIG. 6 is a graph illustrating the current-voltage behavior of a memory cell with an oxygen ion transport layer of SFO crystallized in the Miller index 111 direction in accordance with one embodiment of the present invention.
7 is a block diagram illustrating a memory system according to an embodiment of the present invention.
8 is a block diagram illustrating a storage device including a solid state disk (hereinafter, SSD) according to an embodiment of the present invention.
9 is a block diagram illustrating a memory system according to another exemplary embodiment of the present invention.
10 is a block diagram illustrating a data storage device according to another embodiment of the present invention.
11 is a block diagram illustrating a nonvolatile memory device and a computing system including the same according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples can be modified in various other forms, and the scope of the present invention is It is not limited to an Example. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the inventive concept to those skilled in the art.

도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the drawings like reference numerals refer to like elements. In addition, as used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the scope of the invention. In addition, although described in the singular in this specification, a plural form may be included unless the singular is clearly indicated in the context. Also, as used herein, the terms "comprise" and / or "comprising" specify the shapes, numbers, steps, actions, members, elements and / or presence of these groups mentioned. It does not exclude the presence or addition of other shapes, numbers, operations, members, elements and / or groups.

본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다. Reference herein to a layer formed “on” a substrate or other layer refers to a layer formed directly on or above the substrate or other layer, or formed on an intermediate layer or intermediate layers formed on the substrate or other layer. It may also refer to a layer. In addition, for those skilled in the art, a structure or shape disposed "adjacent" to another shape may have a portion that overlaps or is disposed below the adjacent shape.

본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.As used herein, "below", "above", "upper", "lower", "horizontal" or "vertical" Relative terms such as may be used to describe the relationship that one component member, layer or region has with another component member, layer or region, as shown in the figures. It is to be understood that these terms encompass not only the directions indicated in the drawings, but also other directions of the device.

이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.In the following, embodiments of the present invention will be described with reference to cross-sectional views schematically showing ideal embodiments (and intermediate structures) of the present invention. In these figures, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of description, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to the specific shapes of the regions shown herein. Also, reference numerals of members in the drawings refer to the same members throughout the drawings.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 소자(SD')를 도시하는 단면도이고, 도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위칭 소자(SD")를 도시하는 단면도이며, 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)의 사시도이다. FIG. 1A is a cross-sectional view showing a switching device SD ′ according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a cross-sectional view showing a switching device SD ″ according to another embodiment of the present invention, and FIG. A perspective view of a nonvolatile memory device 100 according to an embodiment of the invention.

도 1a를 참조하면, 스위칭 소자(SD')는, 제 1 전극(E1), 제 2 전극(E2), 및 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이의 브라운밀러라이트(brownmillerite) 구조의 산소 이온 전달층(BM)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 전극(E1)은 하부 전극이고, 제 2 전극(E2)는 상부 전극일 수 있다. 본 명세서에서, 상기 하부 전극 및 상부 전극이라는 용어는 어떤 특정 공간 배향을 한정하는 것으로 해석되어서는 아니되며, 오직 구분을 위해서만 사용된 것임에 유의하여야 한다. 따라서, 제 1 전극(E1)이 상부 전극이고, 제 2 전극(E2)이 하부 전극일 수도 있다.Referring to FIG. 1A, the switching element SD ′ includes a first electrode E1, a second electrode E2, and a brown millerite between the first electrode E1 and the second electrode E2. It may include an oxygen ion transport layer (BM) of the structure. In an embodiment, the first electrode E1 may be a lower electrode, and the second electrode E2 may be an upper electrode. It is to be noted that the terms lower electrode and upper electrode are not to be construed as limiting any particular spatial orientation, but are used only for distinction. Therefore, the first electrode E1 may be the upper electrode, and the second electrode E2 may be the lower electrode.

제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)은 도 1a에 도시된 것과 같이 서로 대향하는 2차원 평면체일 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 중 적어도 어느 하나의 전극은 와이어와 같은 1 차원 형상을 갖거나 비제한적 예로서 실린더형, 돌출형, 오목형 또는 이들이 조합된 3 차원 형상을 가질 수 있고, 다른 하나의 전극은 이와 교차하거나 이를 둘러싸는 1 차원 형상을 갖거나 3 차원 형상을 가질 수 있다.The first electrode E1 and the second electrode E2 may be two-dimensional planar bodies facing each other as shown in FIG. 1A, but the present invention is not limited thereto. For example, at least one of the first electrode E1 and the second electrode E2 may have a one-dimensional shape, such as a wire, or include, but is not limited to, cylindrical, protruding, concave, or a combination thereof. It may have a dimensional shape, and the other electrode may have a one-dimensional shape or have a three-dimensional shape that crosses or surrounds it.

일 실시예에서, 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 중 적어도 어느 하나는 반응성은 낮은 금, 또는 백금과 같은 귀금속 층을 포함하고, 다른 하나는 도전성 필라멘트의 가역적 생성 및 소멸과 관계되는 반응성 도전성 화합물 층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 반응성 도전성 화합물 층은 전술한 도전성 산화물과 같이 도전성 필라멘트를 생성할 수 있는 산소 이온 저장원(oxygen reservoir; OL)인 루테늄 산화물 층 또는 스트론튬루테늄 산화물 층과 같은 도전성 산화물 층을 포함할 수 있다. 도 1a에서는, 제 1 전극(E1)이 산소 이온 저장원(OL)을 갖는 실시예가 도시된다.In one embodiment, at least one of the first electrode E1 and the second electrode E2 comprises a precious metal layer such as gold or platinum having low reactivity, and the other is related to the reversible generation and disappearance of the conductive filaments. It may comprise a reactive conductive compound layer. For example, the reactive conductive compound layer may include a conductive oxide layer, such as a ruthenium oxide layer or a strontium ruthenium oxide layer, which is an oxygen ion reservoir (OL) capable of producing conductive filaments, such as the conductive oxide described above. Can be. In FIG. 1A, an embodiment is shown in which the first electrode E1 has an oxygen ion storage source OL.

산소 이온 저장원(OL)은 그 자체가 제 1 전극(E1)을 구성하거나, 산소 이온 저장원(OL)에 결합된 추가적 도전성 전극(CL)을 더 포함할 수 있다. 도전성 전극(CL)은 도핑된 실리콘 또는 저머늄과 같은 반도체, 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 파라듐(Pd), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 루테늄(Ru), 또는 어븀(Er)과 같은 금속, 이의 도전성 실리콘화물(예를 들면, 텅스텐실리콘화물(WSi), 티타늄실리콘화물(TiSi2), 코발트실리콘화물(CoSi2), 니켈실리콘화물(NiSi), 백금실리콘화물(PtSi2), 어븀실리콘화물(ErSi2) 또는 몰리브데늄실리콘화물(MoSi2)), 도전성 질화물(예를 들면, 티타늄 질화물(TiN) 또는 탄탈륨질화물(TaN)), 및 이의 도전성 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이들 재료들은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.The oxygen ion storage source OL itself may constitute the first electrode E1, or may further include an additional conductive electrode CL coupled to the oxygen ion storage source OL. The conductive electrode CL may be a semiconductor such as doped silicon or germanium, tungsten (W), cobalt (Co), nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), titanium (Ti), or tantalum (Ta). ), Metals such as molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), or erbium (Er), conductive siliconides thereof (e.g. tungsten siliconide (WSi), titanium siliconide (TiSi 2 ), cobalt siliconide) (CoSi 2 ), nickel siliconide (NiSi), platinum siliconide (PtSi 2 ), erbium siliconide (ErSi 2 ) or molybdenum siliconide (MoSi 2 )), conductive nitride (e.g., titanium nitride (TiN ) Or tantalum nitride (TaN)), and conductive oxides thereof, and these materials are exemplary, but the present invention is not limited thereto.

일 실시예에서, 제 1 전극(E1)의 하지에 에피택셜 기저층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 상기 에피택셜 기저층은, 산소 이온 전달층(BM)의 결정성을 향상시키거나 결정 성장의 배향 방향을 제어하기 위한 층이다. 상기 에피택셜 기저층은 산소 이온 전달층(BM)의 증착 이전에, 즉, 산소 이온 전달층(BM)의 하지에 형성되거나, 산소 이온 전달층(BM)의 증착 이후에, 즉, 산소 이온 전달층(BM)의 상부에 제 1 전극(E2)의 일부로서 형성될 수도 있다. 상기 에피택셜 기저층이 산소 이온 전달층(BM)의 하지에 형성된 경우, 산소 이온 전달층(BM)이 인시츄로 에피택셜 성장될 수도 있으며, 반대로 상기 에피택셜 기저층이 산소 이온 전달층(BM)의 상부에 형성된 경우에는 산소 이온 전달층(BM)의 형성 후에 열처리와 같은 추가 공정을 통해 산소 이온 전달층(BM)이 결정화될 수 있다.In an embodiment, an epitaxial base layer (not shown) may be further formed on the bottom of the first electrode E1. The epitaxial base layer is a layer for improving the crystallinity of the oxygen ion transport layer (BM) or controlling the orientation direction of crystal growth. The epitaxial base layer is formed before the deposition of the oxygen ion transport layer (BM), i.e., under the oxygen ion transport layer (BM), or after the deposition of the oxygen ion transport layer (BM), i.e., the oxygen ion transport layer It may be formed as part of the first electrode E2 on the upper portion of the BM. When the epitaxial base layer is formed on the base of the oxygen ion transfer layer (BM), the oxygen ion transfer layer (BM) may be epitaxially grown in situ, on the contrary, the epitaxial base layer may be formed on the oxygen ion transfer layer (BM). When formed on top, the oxygen ion transport layer BM may be crystallized through an additional process such as heat treatment after the formation of the oxygen ion transport layer BM.

상기 에피택셜 기저층이 도전층인 경우, 상기 에피택셜 기저층은 제 1 전극(E1) 또는 제 2 전극(E2)의 일부를 구성할 수 있다. 예를 들면, 상기 에피택셜 기저층은 밀러 지수 (100) 또는 (111)로 배향된 단결정 또는 다결정질의 도전성 페로브스카이트 재료, 예를 들면 스트론튬루테늄 산화물(SRO) 박막 또는 기판일 수 있다. 상기 SRO 박막은 전술한 것과 같이, 인가된 바이어스 극성에 따라 브라운밀러라이트 구조의 산소 이온 전달층(BM)에 산소 원자를 공급할 수 있는 산소 함유 도전성 금속 산화물이다. 이 경우, 상기 산소 함유 도전성 금속 산화물은 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 에피택셜 기저층은, 밀러 지수 (111) 방향으로 배향된 스트론튬루테늄 산화물(SRO) 층을 포함할 수 있다. 상기 SRO 층 상에 직접 산소 이온 전달층(BM)이 형성될 수 있다.When the epitaxial base layer is a conductive layer, the epitaxial base layer may form part of the first electrode E1 or the second electrode E2. For example, the epitaxial base layer may be a single crystal or polycrystalline conductive perovskite material oriented at Miller Index (100) or (111), for example a strontium ruthenium oxide (SRO) thin film or substrate. As described above, the SRO thin film is an oxygen-containing conductive metal oxide capable of supplying oxygen atoms to the oxygen ion transport layer (BM) of the Brown Millerite structure according to the applied bias polarity. In this case, the oxygen-containing conductive metal oxide may have a perovskite crystal structure. For example, the epitaxial base layer can include a strontium ruthenium oxide (SRO) layer oriented in the Miller Index (111) direction. An oxygen ion transport layer (BM) may be directly formed on the SRO layer.

이와 달리, 상기 에피택셜 기저층이 전기 절연층인 경우에는, 상기 에피택셜 기저층 상에 전술한 제 1 전극(E1)이 형성되며, 에피택셜 기저층에 의해, 제 1 전극(E1)이 에피택셜 성장되고, 후속 형성되는 산소 이온 전달층(BM)이 에피택셜 성장될 수 있다. 예를 들면, 상기 에피택셜 기저층은, 밀러 지수 (100) 또는 (111) 방향의 단결정 또는 다결정질의 비도전성 페로브스카이트 물질, 예를 들면, 스트론튬티타늄산화물(STO) 박막 또는 기판일 수 있으며, 상기 에피택셜 기저층 상에 제 1 전극(E1)으로서 밀러 지수 (100) 또는 (111) 방향으로 에피택셜 성장 가능하고, 산소 이온 저장원(OL)으로서 스트론튬루테늄 산화물(SRO) 층과 같은 도전성 박막을 형성할 수 있다. 이후, 제 1 전극(E1) 상에 산소 이온 전달층(BM)을 형성하여, 산소 이온 전달층(BM)이 밀러 지수 (111) 방향으로 에피택셜 성장 가능하도록 할 수 있다.In contrast, when the epitaxial base layer is an electrical insulating layer, the above-described first electrode E1 is formed on the epitaxial base layer, and the first electrode E1 is epitaxially grown by the epitaxial base layer. The subsequently formed oxygen ion transport layer (BM) may be epitaxially grown. For example, the epitaxial base layer may be a single crystal or polycrystalline non-conductive perovskite material in the Miller index (100) or (111) direction, for example, a strontium titanium oxide (STO) thin film or a substrate. Epitaxial growth is possible on the epitaxial base layer in the Miller index (100) or (111) direction as the first electrode (E1), and a conductive thin film such as a strontium ruthenium oxide (SRO) layer is used as the oxygen ion storage source (OL). Can be formed. Thereafter, the oxygen ion transport layer BM may be formed on the first electrode E1 to enable the oxygen ion transport layer BM to epitaxially grow in the direction of the Miller index 111.

산소 이온 전달층(BM)은 전기적 포밍 과정 이전의 초기 구조(pristine structure)로서 브라운밀러라이트(brownmillerite) 구조를 갖는 결정성 구조를 가질 수 있다. 상기 블라운밀러라이트 구조는, 다결정질 또는 단결정질일 수 있다. 상기 브라운밀러라이트 구조는 8 개로 배위된 격자간에 위치하는 중심 금속 원자의 b 축에 수식하는 8 면체 구조를 가지는 층과 4 면체 구조를 가지는 층이 서로 교번하는 구조를 갖는다. 일 실시예에서, 상기 브라운밀러라이트 구조를 갖는 산소 이온 전달층(BM)은, 비제한적 예로서 (Ba, Sr, Ca)2(Fe, Co)2O5, Ca2Al2O5 또는 Ca2SiO4을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 브라운밀러라이트 구조는, 페로브스카이트 결정 구조로 가역적인 토포택틱 상전이(topotactic phase transition)가 가능한 재료일 수 있다.The oxygen ion transport layer (BM) may have a crystalline structure having a brownmillerite structure as a pristine structure before the electrical forming process. The blownmilolite structure may be polycrystalline or monocrystalline. The Brown Millerite structure has a structure in which a layer having an octahedral structure and a layer having a tetrahedral structure alternate with each other by modifying the b axis of a central metal atom located between eight coordinating lattice. In one embodiment, the oxygen ion transport layer (BM) having the Brown Millerite structure, as a non-limiting example (Ba, Sr, Ca) 2 (Fe, Co) 2 O 5 , Ca 2 Al 2 O 5 or Ca 2 SiO 4 may be included. Preferably, the Brown Millerite structure may be a material capable of reversible topotactic phase transition into the perovskite crystal structure.

상기 페로브스카이트 구조는 상기 브라운밀러라이트 구조 내 사면체 구조로 산소가 도핑되면서 형성되며, 예를 들면, (Ba, Sr, Ca)(Fe,Co)O2.5+ x 0< x ≤0.5의 화학식에서, 이상적인 페로브스카이트 구조에서는 x가 x = 0.5를 만족하는 경우이지만, x는 도핑된 산소 함량에 따라 0.25, 또는 0.375와 같이 0과 0.5 사이의 값일 수 있으며 이들 상들은 브라운밀러라이트 구조에 비해서 더 작은 저항값을 가져 도전성을 갖는다. The perovskite structure is formed while oxygen is doped into the tetrahedral structure in the Brown Millerite structure, for example, (Ba, Sr, Ca) (Fe, Co) O 2.5 + x 0 <x ≤ 0.5 In the ideal perovskite structure, x is where x satisfies x = 0.5, but x can be between 0 and 0.5, such as 0.25, or 0.375, depending on the doped oxygen content and these phases It has a smaller resistance value in comparison with the conductivity.

일 실시예에서, 브라운밀러라이트 구조를 갖는 초기 구조의 SrFeO2 .5의 산소 이온 전달층(BM) 내에 산소가 도핑되면, SrFeO2 .5+x의 금속 산화물이 형성될 수 있다. 상기 SrFeO2 .5+x는 산소의 화학양론에 따라 SrFeOx (x = 0 ~ 0.5)에서 다양한 산소 공핍의 페로브스카이트 결정 구조를 나타낼 수 있다. X = 0.5인 SrFeO3는 격자 상수 3.851 Å의 입방형 페로브스카이트(이하, P SFO라 지칭될 수 있음) 구조의 산화물이며, 금속성 전기 전도성을 나타낸다. 또한, 상기 SrFeO3의 닐(Neel) 온도 TN 은 130 K의 반강자성(antiferromagnetic) 자성체이다. 이와 달리, X = 0인 산소 원자가 부족한 SrFeO2 .5는 FeO6의 8 면체 층과 FeO4의 사면체 층이 서로 교번하여 적층된 브라운밀러라이트(이하, BM SFO라 지칭될 수도 있음) 구조를 가질 수 있다. 상기 BM SFO는 왜곡된 사방정계(orthorhombic)의 단위 셀(크기는 a0 = 5.672 Å, b0 = 1559 Å 및 c0 = 5.527 Å임)을 갖는다. 이러한 사방정계 단위 셀은, 준정방정계 표기(즉, a/√2 =4.0107 Å, b/4 = 3.8975 Å 및 c/√2 = 3.9081 Å)에 의해서도 설명될 수 있다. 상기 BM SFO는 반강성체라는 점에서 상기 P SFO와 유사하지만, 전기 절연체라는 점에서 상기 P SFO와 완전히 구별된다.If in one embodiment, Brown, Miller, oxygen is doped in the oxygen ion transport layer (BM) of SrFeO 2 .5 of the initial structure with a light structure, SrFeO can be a metal oxide of the 2 + .5 x formation. The SrFeO 2.5 + x may exhibit various oxygen depletion perovskite crystal structures in SrFeO x (x = 0 to 0.5) depending on the stoichiometry of oxygen. SrFeO 3 with X = 0.5 is an oxide of a cubic perovskite structure (hereinafter may be referred to as P SFO) with a lattice constant of 3.851 mA and exhibits metallic electrical conductivity. In addition, the Neil temperature T N of the SrFeO 3 is an antiferromagnetic magnetic body of 130 K. On the other hand, have the X = oxygen atoms lack is SrFeO 2 .5 0 (may be referred to below, BM SFO) FeO in the tetrahedron layers 6 octahedral layer of FeO and 4 are alternately laminated to each other by light brown mirror structure Can be. The BM SFO has a distorted orthorhombic unit cell (size a 0 = 5.672 Å, b 0 = 1559 Å and c 0 = 5.527 Å). Such tetragonal unit cells may also be described by quasi-square notation (ie, a / √2 = 4.0107 ms, b / 4 = 3.8975 ms and c / √2 = 3.9081 ms). The BM SFO is similar to the P SFO in that it is semi-rigid, but is completely distinct from the P SFO in that it is an electrical insulator.

상기 BM SFO는 다른 브라운밀러라이트 구조의 예인 SrCoOx와 같이, P SFO 와 BM SFO 사이에서 가역적인 구조적 위상 상전이를 할 수 있다. 그러나, 상기 BM SFO는 원자 층 레벨에서 평평하게 성장하지 않는 SrCoOx와 달리 층 단위 방식(layer by layer mode)으로 균일하게 성장할 수 있기 때문에(2002년판 저널 'Appl. Phys. Lett.'에 발표된 Yamada, H.등의 "Epitaxial Growth and Valence Control of Strained Perovskite SrFeO3 Films"란 제하의 논문에 개시됨), 원자 층 레벨에서 평평한 표면과 균일한 두께를 갖는다.The BM SFO can perform a reversible structural phase shift between P SFO and BM SFO, such as SrCoO x , which is another example of Brown Millerite structure. However, since the BM SFO can be grown uniformly in a layer by layer mode, unlike SrCoO x , which does not grow flat at the atomic layer level (published in the 2002 journal Appl. Phys. Lett.) Yamada, H. et al., Published in the paper entitled "Epitaxial Growth and Valence Control of Strained Perovskite SrFeO 3 Films", have a flat surface and uniform thickness at the atomic layer level.

일 실시예에서, 산소 이온 전달층(BM)의 두께는, 안정적이고 저전력의 저항성 스위칭을 얻기 위해 1 nm 내지 500 nm의 범위 내일 수 있다. 상기 산소 이온 전달층(BM)의 두께가 1 nm 미만에서는 균일한 층을 얻기 어렵고, 500 nm를 초과하는 경우에는 전기적 포밍, 셋 또는 리셋 동작을 위한 전력 소모가 증가할 수 있다.In one embodiment, the thickness of the oxygen ion transport layer (BM) may be in the range of 1 nm to 500 nm to obtain stable and low power resistive switching. When the thickness of the oxygen ion transport layer BM is less than 1 nm, it is difficult to obtain a uniform layer. When the oxygen ion transport layer BM exceeds 500 nm, power consumption for electrical forming, set, or reset operations may increase.

도 1b를 참조하면, 산소 이온 저장원(OL)은 도 1a에 도시된 층상 구조와 달리 도트 또는 패턴과 같은 유한적 부피를 갖도록 형성될 수도 있다. 산소 이온 저장원(OL)은 전술한 도 1a의 산소 이온 저장원(OL)과 같이 루테늄 산화물 층 또는 스트론튬루테늄 산화물 층과 같은 도전성 산화물 층일 수도 있다. 유한적 부피를 갖는 산소 저장원(OL)을 포함하는 비휘발성 메모리 소자(MD)과 관련하여 전술한 도 1a의 비휘발성 메모리 소자(MD)의 특징들이 참조될 수 있다.Referring to FIG. 1B, the oxygen ion storage source OL may be formed to have a finite volume such as a dot or a pattern, unlike the layered structure illustrated in FIG. 1A. The oxygen ion storage source OL may be a conductive oxide layer such as a ruthenium oxide layer or a strontium ruthenium oxide layer, such as the oxygen ion storage source OL of FIG. 1A described above. Reference may be made to the features of the nonvolatile memory device MD of FIG. 1A described above in connection with the nonvolatile memory device MD including an oxygen storage source OL having a finite volume.

산소 이온 저장원(OL)이 유한적 부피를 갖는 경우, 가역적 컨덕팅 필라멘트가 유한적 부피의 산소 이온 저장원(OL)이 존재하는 곳으로부터 국부적으로 형성될 수 있다. 유한적 부피의 산소 이온 저장원(OL)은 제어된 양만큼 산소 이온 전달층(BM)으로 산소 이온을 전달할 수 있게 되며, 그에 따라, 가역적 컨덕팅 필라멘트의 크기 또는 후술하는 셀 및/리셋 동작의 내구성을 확보할 수 있도록 한다.If the oxygen ion storage source OL has a finite volume, a reversible conducting filament can be formed locally from where a finite volume of oxygen ion storage source OL is present. The finite volume of oxygen ion storage source (OL) is capable of delivering oxygen ions to the oxygen ion transport layer (BM) by a controlled amount, and thus, the size of the reversible conducting filament or the cell and / or reset operation described below. Ensure durability.

도 1c를 참조하면, 스위칭 소자(SD)를 이용한 비휘발성 메모리 소자(100)가 개시된다. 스위칭 소자(SD)의 제 2 전극(도 1a 및 도 1b의 E2 참조)은 산소 이온 저장원(OL)으로부터 산소 이온 전달층(BM)을 통하여 전달되는 산소 이온에 의해 도핑되거나 산소 이온과 화학적으로 반응(예를 들면, 산화)함으로써 제 2 전극(E2)의 전기적 또는 자기적 성질의 스위칭이 발생되며, 이의 스위칭을 감지하여, 구별되는 상태들에 기록될 정보를 대응시킴으로써 비휘발성 메모리 소자(100)가 제공될 수 있다.Referring to FIG. 1C, a nonvolatile memory device 100 using a switching device SD is disclosed. The second electrode of the switching element SD (see E2 in FIGS. 1A and 1B) is doped by oxygen ions transferred from the oxygen ion storage source OL through the oxygen ion transport layer BM or chemically reacted with the oxygen ions. Reaction (for example, oxidation) causes switching of electrical or magnetic properties of the second electrode E2, and detects the switching thereof, thereby matching the information to be written to the distinct states of the nonvolatile memory device 100. ) May be provided.

상기 전기적 성질은, 제 2 전극(E2)의 종류에 따라, 예를 들면, 컨덕턴스, 초전기(pyroelectriity), 압전성 또는 초전도성(예를 들면, 고온 초전성(high temperature superconductor; HTSC)과 같은 전기적 성질의 변화로 검출 가능한 여하의 성질일 수 있다. 상기 자기적 성질은 자성 또는 상자성체와 강자성체 사이의 상변화와 같은 자기적 성질의 변화로 검출 가능한 여하의 성질일 수 있다.The electrical property may be, for example, an electrical property such as conductance, pyroelectriity, piezoelectricity or superconductivity (eg, high temperature superconductor (HTSC)), depending on the type of the second electrode E2. The magnetic property may be any property detectable by a change in magnetic properties such as magnetic or a phase change between paramagnetic and ferromagnetic materials.

비휘발성 메모리 소자(100)는 복수의 행들과 열들로 배열된 메모리 셀들(MC)의 어레이를 포함할 수 있다. 일 세트의 도전성 전극들(여기서는 워드라인들이라 함; WL1-WL4)이 메모리 셀들(MC)의 어레이의 일 단부 상으로 연장된다. 각 워드라인은 해당 행(row)의 메모리 셀들(MC)과 전기적으로 연결될 수 있다. 다른 세트의 도전성 전극들(여기서는 비트라인들이라 함; BL1-BL5)이 메모리 셀들(MC)의 어레이의 타 단부 상으로 연장될 수 있다. 각 비트라인은 해당 열(column)의 메모리 셀들(MC)과 전기적 또는 자기적으로 연결될 수 있다.The nonvolatile memory device 100 may include an array of memory cells MC arranged in a plurality of rows and columns. A set of conductive electrodes (herein referred to as wordlines; WL1-WL4) extend onto one end of the array of memory cells MC. Each word line may be electrically connected to the memory cells MC of a corresponding row. Another set of conductive electrodes (herein referred to as bitlines; BL1-BL5) may extend onto the other end of the array of memory cells MC. Each bit line may be electrically or magnetically connected to the memory cells MC in a corresponding column.

비휘발성 메모리 소자(100)에서, 각 메모리 셀(MC)은 하나의 워드라인과 하나의 비트라인의 교차점에 배치될 수 있다. 이러한 아키텍쳐는 2 터미널 방식으로 구현된 셀 구조에 대한 예시로서, 일반적으로 크로스 포인트 구조로 지칭되기도 한다. 그러나, 이는 예시일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 비휘발성 메모리 소자(100)는 각 메모리 셀(MC)을 프로그래밍 또는 독출하기 위한 제 3 의 배선을 더 가질 수 있으며, 이 경우, 3 터미널 또는 4 터미널 이상의 메모리 셀 구조를 가질 수도 있다. In the nonvolatile memory device 100, each memory cell MC may be disposed at an intersection of one word line and one bit line. This architecture is an example of a cell structure implemented in a two-terminal manner, and is generally referred to as a cross point structure. However, this is merely an example and the present invention is not limited thereto. For example, the nonvolatile memory device 100 may further have a third wiring for programming or reading each memory cell MC. In this case, the nonvolatile memory device 100 may have a memory cell structure of three terminals or four terminals or more. .

전술한 2 터미널의 메모리 셀(선택된 메모리 셀이라 함)의 읽기 및 쓰기 동작은, 선택된 메모리 셀과 결합된 워드라인과 비트라인을 활성화시키는 것에 의해 수행될 수 있다. 비휘발성 메모리 소자(100)는 각각의 워드라인을 통해 메모리 셀들(MC)에 결합되고 선택된 메모리 셀의 읽기 또는 기록을 위해 선택된 워드라인을 활성화시키는 워드라인 제어 회로(미도시)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 워드라인 제어 회로는 워드라인들 중 특정 워드라인을 선택하기 위한 멀티플렉서(multiplexer, 미도시)를 더 포함할 수 있다.The above-described read and write operations of the memory cells of the two terminals (called the selected memory cells) may be performed by activating word lines and bit lines associated with the selected memory cells. The nonvolatile memory device 100 may further include a word line control circuit (not shown) coupled to the memory cells MC through each word line and activating the selected word line for reading or writing the selected memory cell. have. In one embodiment, the word line control circuit may further include a multiplexer (not shown) for selecting a specific word line among the word lines.

비휘발성 메모리 소자(100)는 각각의 비트라인들(BL1- BL5)을 통해 메모리 셀들(MC)에 결합되는 비트라인 제어 회로(미도시)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 비트라인 제어 회로는 디멀티플렉서, 감지 회로, 입력/출력 (I/O) 패드를 포함할 수 있다. 상기 디멀티플렉서는 선택된 메모리 셀의 비트라인의 상기 감지 회로에 선택적으로 결합시키도록 구성될 수 있다.The nonvolatile memory device 100 may further include a bit line control circuit (not shown) coupled to the memory cells MC through respective bit lines BL1 to BL5. In one embodiment, the bit line control circuit may include a demultiplexer, a sense circuit, and an input / output (I / O) pad. The demultiplexer can be configured to selectively couple to the sense circuitry of the bit line of a selected memory cell.

스위칭 소자(SD', SD")의 산소 이온 전달층(BM)이 내부에 가역적 컨덕팅 필라멘트를 가지고 있지 않은 경우 산소 이온 전달층(BM)은 초기 상태에서 높은 저항 값을 갖기 때문에 전기적으로 부도체이다. 따라서, 비휘발성 메모리 소자로 사용되기 위해서는 가역적 컨덕팅 필라멘트를 형성하기 위한 전기적 포밍(electroforming) 과정이 요구될 수 있다. 각 메모리 셀이 상기 전기적 포밍 과정을 거치면, 각 메모리 셀의 산소 이온 전달층(BM) 내에 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이에서 산소 이온의 전달 경로를 제공하면서 동시에 이들 사이를 전기적으로 연결하는 상기 가역적 컨덕팅 필라멘트가 형성된다. 상기 가역적 컨덕팅 필라멘트가 형성되면서 산소 이온의 수송 경로가 수립되고, 그에 따라 메모리 셀에 대한 전기적 또는 자기적 성질의 스위칭을 통한 기록 및 소거 동작이 가역적으로 수행될 수 있다.When the oxygen ion transport layer BM of the switching elements SD ', SD "does not have a reversible conducting filament therein, the oxygen ion transport layer BM is electrically insulator since it has a high resistance value in the initial state. Accordingly, an electroforming process for forming a reversible conducting filament may be required to be used as a nonvolatile memory device, when each memory cell undergoes the electrical forming process, an oxygen ion transport layer of each memory cell The reversible conducting filament is formed in BM which provides a transfer path of oxygen ions between the first electrode E1 and the second electrode E2 while at the same time electrically connecting them. As it forms, a transport path for oxygen ions is established, thus recording through switching of electrical or magnetic properties to the memory cell. The erase operation can be carried out reversibly.

상기 워드라인 제어 회로와 상기 비트라인 제어 회로는 선택된 메모리 셀에 결합된 해당 워드라인과 비트라인을 활성화시켜 개별적으로 메모리 셀들에 액세스할 수 있다. 기록 동작 동안 워드라인 제어 회로는 선택된 워드라인에 소정 전압을 인가함으로써 선택된 메모리 셀에 정보를 기록한다. 상기 디멀티플렉서는, 예를 들면, 선택된 메모리 셀을 접지시킴으로써 선택된 메모리 셀을 활성화시킬 수 있다. 이 경우, 선택된 메모리 셀로 메모리 셀의 특성에 영향을 미치는 전류가 흐르면서 논리 값을 기록한다.The word line control circuit and the bit line control circuit may access the memory cells individually by activating the corresponding word line and the bit line coupled to the selected memory cell. During the write operation, the word line control circuit writes information to the selected memory cell by applying a predetermined voltage to the selected word line. The demultiplexer may activate the selected memory cell by, for example, grounding the selected memory cell. In this case, a logic value is recorded while a current flowing to the selected memory cell affects the characteristics of the memory cell.

각각의 메모리 셀들의 제 2 전극(E2)의 전기적 또는 자기적 특성의 변화에 의해 상기 논리값이 저장될 수 있으며, 저항 값의 수에 따라 멀티 비트의 논리 값 저장이 가능하다. 상기 논리 값은 후속하는 읽기 동작을 통해 검출된다. 독출된 논리 값은 하나 이상의 비트들을 나타내는데 사용될 수도 있다.The logic value may be stored by a change in the electrical or magnetic characteristics of the second electrode E2 of each memory cell, and the multi-bit logic value may be stored according to the number of resistance values. The logical value is detected through subsequent read operations. The read logical value may be used to represent one or more bits.

저장된 데이터를 변경하기 위해 사용되는 프로그래밍 또는 소거 스위칭 동안, 산소 이온 전달층(도 1a의 BM 참조)에 특정 스위칭 전압(예를 들면, 셋 전압 또는 리셋 전압)이 인가되고, 산소 이온 전달층(BM)을 통해 스위칭 전류를 생성함으로써 그 저항 상태를 변경한다. 이러한 전류들은 산소 이온 전달층(BM) 내에서 및/또는 인접하는 구성 부재들 사이의 계면(예를 들면, 산소 이온 저장원(OL)과 산소 이온 전달층(BM) 사이의 계면, 산소 이온 저장원(OL)과 제 1 전극(E1) 사이의 계면, 또는 산소 이온 전달층(BM)과 제 2 전극(E2) 사이의 계면)에서 열이 발생될 수 있다. 산소 이온 전달층(BM)의 가역적 컨덕팅 필라멘트에 의한 산소 이온의 전달 경로의 생성 및 소멸에 관하여는 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 더욱 상세히 후술될 것이다.During programming or erase switching used to modify the stored data, a specific switching voltage (eg, set voltage or reset voltage) is applied to the oxygen ion transport layer (see BM in FIG. 1A) and the oxygen ion transport layer (BM). By changing the resistance state by generating a switching current through. These currents may be present in the oxygen ion transport layer BM and / or at the interface between adjacent components (eg, the interface between the oxygen ion storage source OL and the oxygen ion transport layer BM, oxygen ion storage). Heat may be generated at the interface between the circle OL and the first electrode E1 or at the interface between the oxygen ion transport layer BM and the second electrode E2. The generation and disappearance of the transfer path of oxygen ions by the reversible conducting filament of the oxygen ion transport layer (BM) will be described in more detail below with reference to FIGS. 2A-2C.

전술한 기록 및 소거 동작에 의한 변경된 데이터 상태를 독출하기 위한 읽기 동작은, 저항성 스위칭 층 내의 가역적 컨덕팅 필라멘트에 실질적인 영향을 주지 않는 작은 전압 신호, 예를 들면 "READ" 전압 펄스를 통해 메모리 셀의 전기적 또는 자기적 값의 레벨을 모니터링함으로써 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 메모리 셀의 전기적 포밍 및 셋/리셋 스위칭 다음에 읽기 동작이 수행될 수 있으며, 상기 전기적 포밍 및 셋/리셋 스위칭은 선택된 메모리 셀에 요구되는 저항 레벨이 달성될 때까지 해당 전압 또는 전류 신호가 인가되고 증가될 수 있다.The read operation for reading out the changed data state by the above-described write and erase operations is performed by the memory cell through a small voltage signal, for example, a "READ" voltage pulse, which does not substantially affect the reversible conducting filament in the resistive switching layer. This can be done by monitoring the level of electrical or magnetic values. In some embodiments, a read operation may be performed following the electrical forming and set / reset switching of the memory cell, wherein the electrical forming and set / reset switching may be performed at a corresponding voltage or voltage until the required level of resistance for the selected memory cell is achieved. The current signal can be applied and increased.

상기 읽기 동작 동안, 상기 워드라인 제어 회로는 선택된 워드라인에 소정 전압을 인가하고 상기 디멀티플렉서는 선택된 비트라인을 감지 회로에 결합시킨다. 감지 회로에 의해 검출된 전류의 크기로 선택된 메모리 셀의 로직 값을 검출하고, 그 결과 값은 I/O 패드로 전송될 수 있다.During the read operation, the word line control circuit applies a predetermined voltage to the selected word line and the demultiplexer couples the selected bit line to the sense circuit. The logic value of the selected memory cell is detected with the magnitude of the current detected by the sensing circuit, and the resulting value can be transferred to the I / O pad.

선택된 메모리 셀의 프로그램 또는 읽기를 위해 메모리 셀을 가로지르는 전압 펄스의 폭 그리고/또는 크기는 조절되고, 그에 따라 선택된 메모리 셀의 저항 값이 조절됨으로써 특정 논리 상태가 기록 또는 독출될 수 있다. 읽기 동작은 선택된 다른 메모리 셀에 인접하는 저저항 상태의 메모리 셀들에 의해 발생하는 기생 경로(sneak path) 또는 누설 전류와 같은 신호의 바이패스에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에, 일 실시예에서, 각 메모리 셀들은 가변 저항체에 직렬 연결되는 소정 비-선형성을 갖는 소자들이 각각의 노드에 또는 각 소자에 부가될 수도 있다. 일 실시예에서, 상기 비-선형성을 갖는 소자들은, 메모리 셀과 워드라인 사이 또는 메모리 셀과 비트라인 사이에 결합될 수 있다.The width and / or magnitude of the voltage pulse across the memory cell for programming or reading of the selected memory cell is adjusted, and accordingly the resistance value of the selected memory cell is adjusted so that a specific logic state can be written or read. In one embodiment, the read operation may be affected by a bypass of a signal such as a leakage path or a sneak path generated by the low resistance memory cells adjacent to the selected other memory cell. Memory cells may be added to each node or to each device with certain non-linearities connected in series to the variable resistor. In one embodiment, the non-linear elements may be coupled between a memory cell and a wordline or between a memory cell and a bitline.

상기 비-선형성을 갖는 소자들은 베리스터형 소자들 또는 다이오드일 수 있다. 도 1a에서는 역방향 다이오드가 제공될 수 있다. 상기 역방향 다이오드는 제너 다이오드일 수 있다. 상기 역방향 다이오드의 문턱 전압 Vth은 기록 전압보다 작은 값을 가질 수 있다. 이 경우, 선택된 메모리 셀에 기록하는 동안은 역방향 다이오드와 메모리 셀은 전류를 흐르게 되고, 인접하는 메모리 셀들에 인가되는 전압에 의해서는 역방향으로 흐르는 전류가 차단된다. 읽기 전압의 크기는 역방향 다이오드의 문턱 전압 Vth 보다 작을 수 있다. 예를 들면, 읽기 전압의 크기는 역방향 다이오드의 문턱 전압 Vth 의 절반일 수 있다. 그러나, 크로스 포인트 구조에서 메모리 셀을 선택하는 것은 하프 셀렉트 방식(half selection method)에 의해 수행될 수 있으며, 본 발명이 이러한 예에 한정되는 것은 아니다.The devices with non-linearity may be varistor-type devices or diodes. In FIG. 1A a reverse diode may be provided. The reverse diode may be a zener diode. The threshold voltage V th of the reverse diode may have a value smaller than the write voltage. In this case, while writing to the selected memory cell, the reverse diode and the memory cell flow current, and the current flowing in the reverse direction is blocked by the voltage applied to the adjacent memory cells. The magnitude of the read voltage may be less than the threshold voltage V th of the reverse diode. For example, the magnitude of the read voltage may be half of the threshold voltage Vth of the reverse diode. However, selecting the memory cell in the cross point structure may be performed by a half selection method, and the present invention is not limited to this example.

일 실시예에서, 이러한 역방향 다이오드가 갖는 정류 특성은 가변 저항체가 셀프 정류 특성을 갖는 경우 가변 저항체 자체에서 구현될 수 있으며, 이 경우, 상기 역방향 다이오드가 생략됨으로써 반도체 메모리 소자의 구성 및 제조는 더욱 단순화될 수 있다.In one embodiment, the rectifying characteristic of the reverse diode may be implemented in the variable resistor itself when the variable resistor has a self-rectifying characteristic. In this case, the configuration and manufacturing of the semiconductor memory device may be further simplified by omitting the reverse diode. Can be.

다른 실시예에서, 트랜지스터가 각 노드에 위치되거나 각각의 메모리 셀에 삽입되어 메모리 셀이 선택되지 않은 경우, 선택되지 않은 메모리 셀을 디커플링하는 액티브 매트릭스로서 조직될 수도 있다. 이러한 접근 방식은 비휘발성 메모리 소자의 어레이에서 발생하는 크로스토크 문제를 개선할 수 있다.In another embodiment, when a transistor is located at each node or inserted into each memory cell so that no memory cell is selected, it may be organized as an active matrix that decouples the unselected memory cells. This approach can improve crosstalk problems that occur in arrays of nonvolatile memory devices.

전술한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)는 한 층의 메모리 셀 어레이를 갖는 것에 대해 개시되고 있지만, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 2 이상의 메모리 셀 어레이들이 적층되어 집적화될 수 있다. 또한, 도 1c에 도시된 메모리 어레이는 기판에 대해 수평 방향으로 확장되어 배열되거나 상기 기판에 대해 밀러 지수 (100) 방향으로 복수의 레벨들을 갖도록 확장된 3차원 메모리 셀 어레이를 가질 수도 있다.Although the nonvolatile memory device 100 according to the above-described embodiment has been disclosed with one layer of memory cell arrays, this is merely exemplary and the present invention is not limited thereto. For example, two or more memory cell arrays may be stacked and integrated. In addition, the memory array illustrated in FIG. 1C may have a three-dimensional memory cell array arranged to extend in a horizontal direction with respect to a substrate or to have a plurality of levels in a Miller index 100 direction with respect to the substrate.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 비휘발성 메모리 소자(MD) 의 초기 상태를 도시하고, 도 2b는 전기적 포밍 과정에 의해 비휘발성 메모리 소자(MD) 내에 형성된 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)를 도시하고, 도 2c는 도 2b의 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)를 설명하기 위한 모식도이며, 도 2d는 형성된 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)가 붕괴된 상태를 도시하는 단면도이다.2A illustrates an initial state of a nonvolatile memory device MD formed according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B illustrates a reversible conducting filament CF formed in the nonvolatile memory device MD by an electrical forming process. 2C is a schematic diagram illustrating the reversible conducting filament CF of FIG. 2B, and FIG. 2D is a cross-sectional view illustrating a collapsed state of the formed reversible conducting filament CF.

도 2a를 참조하면, 제 1 전극(E1), 제 2 전극(E2) 및 산소 이온 전달층(BM)을 포함하는 비휘발성 메모리 소자(MD)가 개시되어 있다. 비휘발성 메모리 소자(MD)은 전술한 메모리 셀 이외에 센서, 퓨즈 또는 논리 소자와 같은 부재로서 응용될 수 있다. Referring to FIG. 2A, a nonvolatile memory device MD including a first electrode E1, a second electrode E2, and an oxygen ion transport layer BM is disclosed. The nonvolatile memory device MD may be applied as a member such as a sensor, a fuse, or a logic device in addition to the memory cell described above.

제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이의 산소 이온 전달층(BM)은 초기 구조로서 브라운밀러라이트 구조를 갖는다. 상기 브라운밀러라이트 구조는 완전히 산화된 8 면체 구조 층(L8)과 산소 공핍의 4 면체 구조 층(L4)이 교번하는 결정 구조를 갖는다. 이와 같이, 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)을 연결하는 8 면체 구조 층들(L8s)을 본 명세서에서는 8 면체 슬라브 층들이라 한다. 브라운밀러라이트 구조의 특징으로부터, 이들 서로 인접하는 8 면체 층들(L8) 사이에는 4 면체 구조 층(L4)이 존재하며, 특히, 8 면체 슬라브 층들(L8s) 사이에도 4 면체 구조 층들(L4s)이 존재하며, 본 명세서에서는 이를 4 면체 슬라브 층이라 한다. 상기 8 면체 슬라브 층들은 적어도 1 이상의 층일 수 있으며, 반드시 복수 개일 필요는 없다. 또한, 본 명세서에서, 상기 8 면체 슬라브 층들(L8s)와 4 면체 슬라브 층들(L4s)을 집합적으로 초기 슬라브 층(Ls)이라 한다.The oxygen ion transport layer BM between the first electrode E1 and the second electrode E2 has a brown millerite structure as an initial structure. The Brown Millerite structure has a crystal structure in which the fully oxidized octahedral structure layer L8 and the oxygen depleted tetrahedral structure layer L4 alternate. As such, the octahedral structural layers L8s connecting the first electrode E1 and the second electrode E2 are referred to herein as octahedral slab layers. From the characteristics of the Brown Millerite structure, a tetrahedral structure layer L4 exists between these adjacent octahedral layers L8, and in particular, tetrahedral structure layers L4s also exist between the octahedral slab layers L8s. Present and referred to herein as a tetrahedral slab layer. The octahedral slab layers may be at least one layer, and need not necessarily be plural. Also, in the present specification, the octahedral slab layers L8s and the tetrahedral slab layers L4s are collectively referred to as an initial slab layer Ls.

도 2a에 도시된 것은 단결정 구조이지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 산소 이온 전달층(BM)은 다결정질 구조를 가질 수도 있다. 브라운밀러라이트 재료 중 전술한 스트론튬철 산화물(SFO)은 원자 층 단위의 성장이 가능하여 원자 층 레벨에서 평탄한 층을 얻을 수 있다. 일 실시예에서, 도 2a에 예시된 산소 이온 전달층(BM)은 브라운밀러라이트 구조의 SFO 층을 포함할 수 있다. 초기 구조의 브라운밀러라이트 구조의 산소 이온 전달층(BM)은, 후술하는 리셋 동작에 의한 고저항 상태보다 더 큰 저항 값을 갖는 구조적 질서를 갖는 절연체이다.Although FIG. 2A illustrates a single crystal structure, the present invention is not limited thereto, and the oxygen ion transport layer BM may have a polycrystalline structure. The above-described strontium iron oxide (SFO) in the Brown Millerite material can grow in atomic layer units to obtain a flat layer at the atomic layer level. In one embodiment, the oxygen ion transport layer (BM) illustrated in FIG. 2A may comprise an SFO layer of Brown Millerite structure. The oxygen ion transport layer (BM) of the brown millerite structure of an initial structure is an insulator which has a structural order which has larger resistance value than the high resistance state by the reset operation mentioned later.

일 실시예에서, 8 면체 구조 층들(L8) 중 일부의 층들(L8s)은 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이에서 그 배향 방향에 따라 정렬될 수 있다. 도 2a는 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)의 연장 방향과 평행한 방향으로 8 면체 구조 층(L8)과 산소 공핍의 4 면체 구조 층(L4)이 배향된 것을 예시한다.In one embodiment, the layers L8s of some of the octahedral structure layers L8 may be aligned between the first electrode E1 and the second electrode E2 according to their orientation direction. FIG. 2A illustrates that the octahedral structure layer L8 and the tetrahedral structure layer L4 of oxygen depletion are oriented in a direction parallel to the extending direction of the first electrode E1 and the second electrode E2.

본 발명의 실시예에 따른 산소 이온 전달층(BM)의 필라멘트 도전성 경로는 비휘발성 메모리 소자(MD)의 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이의 브라운밀러라이트 구조의 초기 슬라브 층(Ls)에서 4 면체 슬라브 층(L4s)의 적어도 일부가 산화되어 8 면체 층으로 변함으로써 제공된다. 전술한 것과 같이, 전기적 포밍 과정을 겪기 이전에 도 2a의 브라운밀러라이트 구조를 갖는 산소 이온 전달층(BM)은 전기적으로 부도체이다.The filament conductive path of the oxygen ion transport layer BM according to the embodiment of the present invention is an initial slab layer of a Brown Millerite structure between the first electrode E1 and the second electrode E2 of the nonvolatile memory device MD. At (Ls) at least part of the tetrahedral slab layer (L4s) is provided by oxidizing to an octahedral layer. As described above, prior to undergoing the electrical forming process, the oxygen ion transport layer (BM) having the Brown Millerite structure of FIG. 2A is electrically insulator.

도 2b를 참조하면, 전기적 포밍 과정에서, 예를 들면, 제 2 전극(EL2)에 양의 포밍 전압(VF)을 인가하고, 제 1 전극(E1)을 접지하면, 제 1 전극(E1)의 산소 이온 저장원(OL)으로부터 산소 이온 전달층(BM)으로 산소 음이온들이 드리프트된다. 상기 드리프트되는 산소 음이온이 산소 이온 전달층(BM) 내에 도핑되고, 이에 의해, 도 2a의 산소 공핍의 4 면체 슬라브 층들(L4s)이 산화되어 8 면체 슬라브 층(L8s)이 될 수 있다. 이에 의해 8 면체 구조가 연속 인접하는 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)가 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 가역적 컨턱팅 필라멘트(CF)는 층상 구조를 갖는 8면체 슬라브 층들이 모두 연속 인접하여 형성될 수 있다.Referring to FIG. 2B, in the electrical forming process, for example, when a positive forming voltage V F is applied to the second electrode EL2 and the first electrode E1 is grounded, the first electrode E1 is grounded. Oxygen anions are drift from the oxygen ion storage source OL to the oxygen ion transport layer BM. The drift oxygen anion is doped in the oxygen ion transport layer (BM), whereby the tetrahedral slab layers (L4s) of the oxygen depletion of Figure 2a can be oxidized to become an octahedral slab layer (L8s). As a result, a reversible conducting filament CF in which the octahedron structure is continuously adjacent may be formed. In one embodiment, the reversible condensing filament CF may be formed in successive contiguous all octahedral slab layers having a layered structure.

다른 실시예에서, 전기적 포밍 과정에 의해 형성되는 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)는, 도 2c에 도시된 것과 같이, 서로 인접하는 8 면체 슬라브 층들(L8s) 사이에 배치되는 4 면체 슬라브 층(L4s)의 일부(P8S)가 산소의 주입에 의해 8 면체 구조로 바뀌고, 8 면체 구조로 바뀐 영역(P8S)이 이웃하는 8 면체 슬라브 층들(L8s)과 결합되어 막대 형상의 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)를 형성할 수도 있다. 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)에 의해 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이에 도전성 경로가 형성된 것이 도시된다.In another embodiment, the reversible conducting filaments CF formed by the electrical forming process are tetrahedral slab layers L4s disposed between adjacent octahedral slab layers L8s, as shown in FIG. 2C. Part P8S is changed into octahedral structure by the injection of oxygen, and the region P8S changed into octahedral structure is combined with neighboring octahedral slab layers L8s to form a rod-shaped reversible conducting filament CF. It may be formed. The conductive path is formed between the first electrode E1 and the second electrode E2 by the reversible conducting filament CF.

도 2b 및 도 2c를 참조하여 설명한 도전성 필라멘트의 형상은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이러한 도전성 필라멘트는 복수 개이거나 평면 형상과 막대 형상이 결합된 여하의 형상을 가질 수도 있다. 예를 들면, 산소 이온 전달층(BM) 내에 서로 다른 배향의 브라운밀러라이트 결정 구조가 혼재된 경우, 2 이상의 평면 형상이 교차되거나, 2 이상의 막대 형상이 서로 교차되거나, 평면 형상과 막대 형상이 서로 결합된 복합 구조를 형성할 수도 있다.Shapes of the conductive filaments described with reference to FIGS. 2B and 2C are exemplary only, but the present invention is not limited thereto. In addition, the conductive filaments may be plural or have any shape in which a planar shape and a bar shape are combined. For example, when Brown Millerite crystal structures of different orientations are mixed in the oxygen ion transport layer (BM), two or more planar shapes intersect, two or more bar shapes intersect each other, or a planar shape and a bar shape intersect each other. It is also possible to form a combined composite structure.

본 발명의 실시예에서, 상기 산소 공핍의 4 면체 슬라브 층들(L4s)은 다양한 산소 배위 자리를 갖기 때문에, 산화가 용이할 뿐만 아니라, 8 면체 구조로 변화되면서 발생하는 변형에 의한 응력이 수용될 수 있기 때문에 상변화가 용이하게 일어난다. 즉, 서로 인접하는 완전히 산화된 8 면체 슬라브 층(L8s)들 사이에서 산소 이온이 도핑되어 4 면체 슬라브 층들(L4s)이 부분적으로 페로브스카이트 결정 구조로 변화하는 위상 상전이(topotactic phase transition)를 통해서 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)가 형성된다. 가역적 컨덕팅 필리멘트(CF)를 통하여, 제 1 전극(E1)으로부터 제 2 전극(E2)으로 산소 이온이 전달되어, 제 2 전극(E2)에 산소 이온의 공급이 이루어질 수 있으며, 이에 의해 제 2 전극(E2)에서는 산소 이온의 도핑, 고용 또는 산화와 같은 전기적 또는 자기적 성질의 변화를 초래할 수 있는 반응 영역 또는 도핑 영역(OR; 이하에서는 도핑 영역이라 통칭한다)이 형성될 수 있다.In the embodiment of the present invention, since the tetrahedral slab layers L4s of the oxygen depletion have various oxygen coordination sites, not only oxidation is easy but also stress due to deformation occurring while changing into an octahedral structure can be accommodated. Phase change occurs easily. In other words, oxygen ions are doped between fully oxidized octahedral slab layers (L8s) adjacent to each other to form a topotactic phase transition in which the tetrahedral slab layers (L4s) partially change into a perovskite crystal structure. Through the reversible conducting filament (CF) is formed. Oxygen ions may be transferred from the first electrode E1 to the second electrode E2 through the reversible conducting filament CF, thereby supplying oxygen ions to the second electrode E2. In the second electrode E2, a reaction region or a doping region (OR (hereinafter, referred to as a doping region)) may be formed that may cause a change in electrical or magnetic properties such as doping, solid solution, or oxidation of oxygen ions.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 산소 이온이 통상적으로 직경이 수 nm에 불과한 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)를 통하여 제 2 전극(E2)으로 국부적으로 전달되어, 제 2 전극(E2) 내에 도핑, 고용 또는 산화될 수 있으므로 더욱 강력한 산소 주입이 이뤄질 수 있다. 이와 같이 형성된 도핑 영역은 제 2 전극(E2)의 전기적 또는 자기적 성질을 변화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 전극(E2) 내에 도핑 영역이 형성되어 전기적 또는 자기적 성질이 바뀌는 동작을 메모리 구동의 프로그램 동작 또는 소거 동작 중 어느 하나, 예를 들면 프로그램 동작에 대응시킬 수 있으며, 이 경우의 전기적 또는 자기적 상태 값을 논리 값 '1' 또는 '0', 예를 들면 '1'에 할당할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the oxygen ions are locally transferred to the second electrode E2 through the reversible conducting filament CF, which is typically only a few nm in diameter, to doping in the second electrode E2, Strong oxygen injection can be achieved since it may be dissolved or oxidized. The doped region thus formed may change the electrical or magnetic properties of the second electrode E2. In an embodiment, an operation in which a doped region is formed in the second electrode E2 to change electrical or magnetic properties may correspond to either a program operation or an erase operation of a memory drive, for example, a program operation. The electrical or magnetic state value of the case can be assigned to a logic value '1' or '0', for example '1'.

일 실시예에서, 상기 전기적 포밍 과정 동안, 제 1 전극(E1)은 접지하고, 제 2 전극(E2)에 바이어스를 인가하고, 이때 제 2 전극(E2)에 인가되는 포밍 전압(VF)은 0.4 Ⅴ 내지 2 Ⅴ의 범위 내일 수 있으며, 일부 실시예에서는, 0.5 Ⅴ 내지 1 Ⅴ 일 수 있다. 그러나, 이러한 전압 범위는 예시적일 뿐, 산소 이온 전달층(BM)의 브라운밀러라이트 구조가 실질적으로 단결정인 경우에는 별도의 전기적 포밍 과정이 없어도 가역적으로 셀 동작과 리셋 동작이 수행될 수 있으며, 이런 경우에는 포밍 전압(VF)은 필요없을 수 있으며, 실질적으로 포밍 전압(Vset)이 0 Ⅴ인 경우에 해당한다. 이와 같이, 포밍 전압(VF)이 작거나 0 인 이유는, 인접하는 8 면체 슬라브 층들 사이에 배치되는 4 면체 슬라브 층에서 적어도 막대 형상의 일부만 8 면체 구조로 전이되는 것은 거의 에너지를 필요하지 않을 정도로 쉽게 생성되기 때문이다. 이에 관하여는, 도 5a 내지 도 6을 참조하여, 상세히 후술될 것이다.In one embodiment, during the electrical forming process, the first electrode E1 is grounded, a bias is applied to the second electrode E2, and the forming voltage V F applied to the second electrode E2 is 0.4 V to 2 V, and in some embodiments, 0.5 V to 1 V. However, this voltage range is only an example, and when the Brown Millerite structure of the oxygen ion transport layer (BM) is substantially single crystal, cell operation and reset operation may be reversibly performed without a separate electrical forming process. In this case, the forming voltage V F may not be necessary and corresponds to a case in which the forming voltage V set is 0V. As such, the reason that the forming voltage V F is small or zero means that at least a portion of the rod-shaped transition in the tetrahedral slab layer disposed between adjacent octahedral slab layers requires little energy. This is because it is easily generated. This will be described later in detail with reference to FIGS. 5A to 6.

본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이에서, 8 면체 슬라브 층들(L8s) 사이의 4 면체 슬라브 층(L4s)이 적어도 부분적으로 산화되는 것만으로 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)가 형성되기 때문에, 전기적 포밍 과정에서 요구되는 포밍 전압(VF)은 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이에서 상당 부분 내에서 결함들을 이동시키고 이들 결함들을 하나 이상의 초기 도전성 경로 내로 배열해서 도전성 다리를 형성해야 하는 종래의 니켈 산화물, 니오븀 산화물, 티타늄 산화물, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 지르코늄 산화물, 이트륨 산화물, 스칸듐 산화물, 마그네슘 산화물, 크로뮴 산화물, 및 바나듐 산화물과 같은 금속 산화물을 이용한 저항성 스위칭 층의 포밍 전압에 비하여 상당히 저감될 수 있다.According to the embodiment of the present invention, between the first electrode E1 and the second electrode E2, the tetrahedral slab layer L4s between the octahedral slab layers L8s is at least partially oxidized, and is reversible. Since the ducting filament CF is formed, the forming voltage V F required in the electrical forming process moves defects within a substantial portion between the first electrode E1 and the second electrode E2 and causes one of these defects to be removed. Conventional nickel oxides, niobium oxides, titanium oxides, hafnium oxides, aluminum oxides, tantalum oxides, zirconium oxides, yttrium oxides, scandium oxides, magnesium oxides, chromium oxides, and vanadium that must be arranged within the initial conductive paths above. It can be significantly reduced compared to the forming voltage of the resistive switching layer using a metal oxide such as oxide.

또한, 일 실시예에서, 산소 이온 전달층(BM)을 구성하는 박막이 SFO 층인 경우, 산소 이온 전달층(BM)이 층 단위로(layer by layer) 형성될 수 있으므로 원자 레벨에서 평탄한 표면과 균일한 두께로 균일하게 성장할 수 있기 때문에, 브라운밀러라이트 구조에서 일어나는 가역적 컨덕팅 필라멘트의 연속적인(cascading) 생성이 더욱 균일하게 일어날 수 있는 이점이 있어, 스위칭 소자를 메모리 소자로 응용하는 경우, 메모리 셀들간 성능의 편차가 완화될 수 있다.Further, in one embodiment, when the thin film constituting the oxygen ion transport layer (BM) is an SFO layer, the oxygen ion transport layer (BM) may be formed layer by layer, so that the surface is uniform and uniform at the atomic level. Since it can grow uniformly to one thickness, there is an advantage that the cascading generation of the reversible conducting filaments occurring in the Brown Millerite structure can occur more uniformly, when the switching device is applied as a memory device, the memory cell The variation in performance between them can be alleviated.

상기 전기적 포밍 과정에서, 갑작스럽게 산소 이온 전달층(BM)에서 전류 레벨이 증가하며, 이것이 전기적 포밍 과정의 시작에 해당되며, 산소 이온 전달층(BM)은 바이어스가 제거되어도 형성된 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)에 의해 저저항 상태(LRS)로 남게 된다. 본 발명의 실시예에서, 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)의 생성과 파괴는 산소 이온 전달층(BM) 전체에 걸쳐 수행된다기 보다는 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)의 일부가 부분적으로 차단되고 복원되는 것을 통해서 수행된다. 도 2d를 참조하면, 본 명세서에서, 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)의 부분적으로 차단되거나 복원되는 영역을 스위칭 존(SZ)이라 지칭한다.In the electrical forming process, the current level suddenly increases in the oxygen ion transfer layer (BM), which corresponds to the beginning of the electrical forming process, and the oxygen ion transfer layer (BM) is formed of a reversible conducting filament formed even when the bias is removed. CF) is left in the low resistance state (LRS). In an embodiment of the present invention, the generation and destruction of the reversible conducting filament (CF) is not carried out throughout the oxygen ion transport layer (BM) rather than partially blocking and restoring part of the reversible conducting filament (CF) Is performed through Referring to FIG. 2D, the region that is partially blocked or restored of the reversible conducting filament CF is referred to as the switching zone SZ.

슬라브 층들(L8s)을 기초로 형성된 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)는 상기 전기적 포밍의 바이어스(VF)와 반대되는 리셋 바이어스(Vreset) 조건에서 적어도 부분적으로 붕괴(rupture)될 수 있다. 리셋 바이어스(Vreset)가 인가되는 동안, 또는 리셋 바이어스(Vreset)의 인가 이전에 이와 동일 극성의 역 바이어스(VRP)가 인가되면, 제 2 전극(E2) 내의 도핑 영역(OR)에 존재하는 산소 이온이 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)로 반환되거나 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)를 통하여 제 1 전극(E1)으로 전달되고, 리셋 바이어스(Vreset)가 지속되면 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)에 채워진 산소 이온마저 다시 제 1 전극(E1) 측으로 드리프트된다. 이 경우, 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)는 부분적으로 붕괴된다. 이와 같이, 제 2 전극(E2) 내의 산소 이온에 의한 도핑 영역(OR)이 사라지면, 제 2 전극(E2)에서 환원과 같은 반응이 일어남으로써, 제 2 전극(E2)의 전기적 또는 자기적 상태 값의 초기화가 일어날 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 전극(E2) 내에 도핑 영역(OR)이 소멸되어 전기적 또는 자기적 성질이 바뀌는 동작을 메모리 구동의 프로그램 동작 또는 소거 동작 중 어느 하나, 예를 들면 소거 동작에 대응시킬 수 있으며, 그때의 전기적 또는 자기적 상태 값을 논리 값 '1' 또는 '0', 예를 들면 '0'에 할당할 수 있다.The reversible conducting filament CF formed based on the slab layers L8s may be at least partially disrupted in a reset bias V reset condition opposite to the bias V F of the electrical forming. If the reverse bias V RP of the same polarity is applied while the reset bias V reset is applied or before the reset bias V reset is applied, it is present in the doped region OR in the second electrode E2. Oxygen ions are returned to the reversible conducting filament (CF) or transferred to the first electrode (E1) through the reversible conducting filament (CF), and if the reset bias (V reset ) is continued to the reversible conducting filament (CF) Even the filled oxygen ions are drift back to the first electrode E1. In this case, the reversible conducting filament CF partially collapses. As such, when the doped region OR due to the oxygen ions in the second electrode E2 disappears, a reaction such as reduction occurs in the second electrode E2, thereby causing an electrical or magnetic state value of the second electrode E2. Initialization of can occur. In an exemplary embodiment, an operation in which the doping region OR disappears in the second electrode E2 so that electrical or magnetic properties are changed may correspond to any one of a memory driving program operation and an erase operation, for example, an erase operation. The electrical or magnetic state value at that time may be assigned to a logic value '1' or '0', for example '0'.

전술한 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)의 부분적 붕괴는 스위칭 존(SZ)이 환원되는 과정이다. 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)가 붕괴되어 절단된 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)의 스위칭 존(SZ) 내에는 적어도 부분적으로 환원된 클러스터 형태의 4 면체 구조의 조직이 생성될 수 있다. 이때 산소 이온 전달층(BM)은 고저항 상태(HRS)가 될 수 있다. 이와 같이, 저저항 상태(LRS)에서 고저항 상태(HRS)로의 스위칭이 일어나는 것을 리셋 동작이라 지칭할 수 있다.The partial collapse of the reversible conducting filament CF described above is a process in which the switching zone SZ is reduced. In the switching zone SZ of the reversible conducting filament CF, which has been collapsed by cutting the reversible conducting filament CF, a tissue having a tetrahedral structure in the form of at least partially reduced clusters may be generated. In this case, the oxygen ion transport layer BM may be in a high resistance state HRS. As such, switching from the low resistance state LRS to the high resistance state HRS may be referred to as a reset operation.

일 실시예에서, 제 1 전극(E1)은 접지하고, 제 2 전극(E2)에 음의 전압(이하, 리셋 전압 VRS 이라 함), 예를 들면, - 1 Ⅴ 내지 -3 Ⅴ의 리셋 전압, 바람직하게는, - 1.5 Ⅴ 내지 - 2.2 Ⅴ의 리셋 전압을 인가하면, 저항성 스위칭 층은 고저항 상태(HRS)가 된다.In one embodiment, the first electrode E1 is grounded, and a negative voltage (hereinafter referred to as reset voltage V RS ) to the second electrode E2, for example, a reset voltage of −1 V to −3 V Preferably, when a reset voltage of -1.5 V to -2.2 V is applied, the resistive switching layer is in a high resistance state (HRS).

다시, 고저항 상태(HRS)의 산소 이온 전달층(BM)에 높은 양의 바이어스를 인가하면 붕괴된 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF')의 적어도 일부, 예를 들면, 클러스터 형태의 4 면체 구조의 조직이 산화될 수 있으며, 이에 의해 다시 도 2b 및 도 2c에 도시된 것과 같이 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)가 재건되고, 산소 이온 전달층(BM)은 저저항 상태(LRS)가 된다. 이러한 동작을 셋 동작이라 하며, 셋 동작에 요구되는 전압을 셋 전압(Vset)이라 지칭한다. 일 실시예에서, 상기 셋 전압(Vset)은, 0.9 Ⅴ 내지 1.5 Ⅴ의 범위 내이다. 셀 전압(Vset)은 붕괴된 8 면체 체인을 연결하는 것이어서, 전술한 전기적 포밍 전압(VF) 보다 더 높을 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 셋 동작에 의해 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)가 재건된 후에, 지속적으로 동작 전압 Vdd을 인가하면 제 1 전극(E1)으로부터 제 2 전극(E2)으로 추가적인 산소 이온의 전달이 이루어질 수 있으며, 이에 의해 제 2 전극(E2)의 전기적 또는 자기적 상태가 리셋 상태로부터 셋 상태로 스위칭될 수 있다. 선택된 메모리 셀에 인가되는 셋 전압(Vset) 및 리셋 전압(Vreset)에 의해 상기 선택된 메모리 셀의 산소 이온 전달층(BM)은 도 2b에 도시된 저저항 상태(LRS)와 도 2d에 도시된 고저항 상태(RLS) 사이에서 가역적으로 스위칭될 수 있다.Again, applying a high amount of bias to the oxygen-resisting layer (BM) in the high resistance state (HRS) results in at least a portion of the collapsed reversible conducting filament (CF '), for example, a tetrahedral structure in the form of a cluster. This can be oxidized, whereby again the reversible conducting filament CF is rebuilt as shown in FIGS. 2B and 2C and the oxygen ion transport layer BM is in a low resistance state LRS. This operation is called a set operation, and the voltage required for the set operation is called a set voltage (V set ). In one embodiment, the set voltage (V set ) is in the range of 0.9 V to 1.5 V. The cell voltage V set connects the collapsed octahedral chain, which may be higher than the aforementioned electrical forming voltage V F. However, this is merely illustrative and the present invention is not limited thereto. After the reversible conducting filament CF is reconstructed by the set operation, when the operating voltage V dd is continuously applied, additional oxygen ions may be transferred from the first electrode E1 to the second electrode E2. As a result, the electrical or magnetic state of the second electrode E2 may be switched from the reset state to the set state. By the set voltage V set and the reset voltage V reset applied to the selected memory cell, the oxygen ion transport layer BM of the selected memory cell is shown in the low resistance state LRS shown in FIG. 2B and in FIG. 2D. Can be reversibly switched between the high resistance states RLS.

다른 실시예에서, 제 2 전극(E2)의 전기적 또는 자기적 스위칭은 산소 이온 전달층(BM)의 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)의 전술한 셋 동작과 리셋 동작의 스위칭을 반드시 수반하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 포밍 공정에 의해 생성된 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)가 그대로 유지되는 상태에서, 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이에서 산소 이온의 교환이 이루어질 수 있다. 이를 위하여, 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)가 붕괴되지 않도록 유의하면서 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)를 통해 제 2 전극(E2)의 도핑 영역(OR) 내의 산소 이온을 제거하여 제 2 전극(E2)의 초기화 또는 제 1 상태를 유도하고, 다시 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)를 통해 산소 이온을 제 2 전극(E2)으로 이동시킴으로써 제 2 전극(E2) 내에 산소 이온의 도핑 영역(OR)을 형성하여, 제 2 전극(EL2) 내에 상기 제 1 상태와 구별되도록 전기적 또는 자기적 성질이 스위칭된 제 2 상태를 유도할 수 있다.In another embodiment, the electrical or magnetic switching of the second electrode E2 may not necessarily involve switching of the aforementioned set operation and reset operation of the reversible conducting filament CF of the oxygen ion transport layer BM. . For example, while the reversible conducting filament CF generated by the forming process is maintained as it is, the exchange of oxygen ions may be performed between the first electrode E1 and the second electrode E2. To this end, the oxygen ions in the doped region OR of the second electrode E2 are removed through the reversible conducting filament CF while being careful not to collapse the reversible conducting filament CF. By inducing an initialization or a first state and moving the oxygen ions to the second electrode E2 through the reversible conducting filament CF to form a doped region OR of oxygen ions in the second electrode E2, The second state in which the electrical or magnetic properties are switched may be induced in the second electrode EL2 to be distinguished from the first state.

전술한 실시예에서, 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)를 구성하는 산화된 8 면체 슬라브 층들(L8s)은, 페로브스카이트 결정 구조, 예를 들면, SrFeO3.0를 가지며, 적어도 전자의 양자 가둠(quantum confinement) 효과가 발생하지 않는 범위 내의 층의 개수, 적어도 2 이상의 개수를 가질 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나, 다른 실시예에서, 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)는 SrFeO2.75 또는 SrFeO2.875와 같이 브라운밀러라이트 구조의 SrFeO2.5 보다는 산소 함량이 큰 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수도 있다.In the above embodiment, the oxidized octahedral slab layers L8s constituting the reversible conducting filament CF have a perovskite crystal structure, for example SrFeO 3.0 , and at least an electron quantum confinement) may have a number of layers within the range in which the effect does not occur, at least two or more, but the present invention is not limited thereto. However, in another embodiment, the reversible conducting filament (CF) may have a perovskite crystal structure with a higher oxygen content than SrFeO 2.5 of Brown Millerite structure, such as SrFeO 2.75 or SrFeO 2.875 .

본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(MD)는, 도전성 필라멘트(CF)의 스위칭 존(SZ)을 차단하는 리셋 동작과 스위칭 존(SZ)의 차단된 일부를 복원하여 도전성 필라멘트(CF)를 재건하는 셋 동작을 위해 비휘발성 메모리 소자(MD)에 인가되는 전류의 방향이 서로 반대인 바이폴라 스위칭 동작 특성을 가질 수 있다. 비휘발성 메모리 소자(MD)의 메모리 셀로의 응용 시, 스위칭 존(SZ)은 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)을 가로지르는 브라운밀러라이트 구조의 8면체 슬라브층들(L8s)과 이들 사이의 4 면체 슬라브 층(L4s)의 적어도 일부 영역, 예를 들면, 제 1 전극(E1) 또는 제 2 전극(E2)의 근처이거나 그 전체일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In the nonvolatile memory device MD according to an exemplary embodiment of the present invention, a reset operation for blocking the switching zone SZ of the conductive filament CF and a part of the switching zone SZ restored are restored to restore the conductive filament CF. For the set operation for reconstructing, the direction of the current applied to the nonvolatile memory device MD may have opposite bipolar switching operation characteristics. In the application of the nonvolatile memory device MD to a memory cell, the switching zone SZ is formed of octahedral slab layers L8s having a Brown Millerite structure intersecting the first electrode E1 and the second electrode E2. At least a portion of the tetrahedral slab layer L4s therebetween, for example, the first electrode E1 or the second electrode E2 may be near or the whole thereof, but the present invention is not limited thereto.

전술한 실시예에서, 스위칭 존(SZ)의 가역적 상변화는 산소 음이온들의 이동을 제어함으로써 수행될 수 있으며, 상기 산소 음이온들의 이동에 의해 스위칭 존(SZ)을 구성하는 8 면체 층과 4 면체 층, 특히 4 면체 층의 산화·환원 반응이 제어됨으로써 메모리 셀의 전기적 포밍 과정이 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 스위칭 존들(SZ)의 위치는 메모리 셀 어레이의 메모리 셀들 전체에 걸쳐 균일하게 적용되도록 설계되어 동일 메모리 어레이에 속한 모든 셀들이 동일한 특징을 가질 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 각 메모리 셀의 스위칭 존(SZ)의 위치는 상기 전기적 포밍 과정을 제어함으로써 각 셀마다 독립적으로 선택될 수도 있다. 예를 들면, 일부 메모리 셀들의 스위칭 존(SZ)은 제 1 전극(E1) 근처에 형성될 수 있고, 다른 메모리 셀들의 스위칭 존(SZ)은 제 2 전극(E2) 근처에 형성될 수도 있을 것이다.In the above embodiment, the reversible phase change of the switching zone SZ can be performed by controlling the movement of oxygen anions, and the octahedral layer and tetrahedral layer constituting the switching zone SZ by the movement of the oxygen anions. In particular, since the oxidation / reduction reaction of the tetrahedral layer is controlled, the electrical forming process of the memory cell may be performed. In some embodiments, the location of the switching zones SZ is designed to be uniformly applied throughout the memory cells of the memory cell array such that all cells belonging to the same memory array may have the same feature. However, this is exemplary and the location of the switching zone SZ of each memory cell may be independently selected for each cell by controlling the electrical forming process. For example, the switching zone SZ of some memory cells may be formed near the first electrode E1, and the switching zone SZ of other memory cells may be formed near the second electrode E2. .

다른 실시예에서, 스위칭 존(SZ)의 위치는 초기에 하나의 특정된 위치에 형성되고, 그 후에 전기적 제어를 통해 변경되어 다른 위치로 이동할 수도 있을 것이다. 이를 통해, 메모리 셀 내에 서로 다른 동작 특성이나 데이터 저장 특성을 갖는 메모리 셀 영역을 제공할 수 있을 것이다. 스위칭 존(SZ)의 위치 설계 및 변경은, 산소 음이온의 이동을 제어함으로써 달성될 수 있다. 상기 산소 음이온의 이동 제어는 사용되는 전기적 신호의 극성, 세기, 및/또는 지속 시간을 제어함으로써 달성될 수 있다.In another embodiment, the location of the switching zone SZ may be initially formed at one specified location and then changed via electrical control to move to another location. Through this, it is possible to provide a memory cell area having different operating characteristics or data storage characteristics in the memory cell. Position design and change of the switching zone SZ can be achieved by controlling the movement of oxygen anions. Movement control of the oxygen anion can be achieved by controlling the polarity, strength, and / or duration of the electrical signal used.

본 발명의 실시예에 따르면, 통상적으로 직경이 수 nm에 불과한 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)를 통하여 제 2 전극(E2)으로 전달되어 국부적으로 형성되는 수 nm 내지 수십 nm 크기를 갖는 도핑 영역의 전기적 또는 자기적 상태를 스위칭 소자 또는 메모리 소자로 응용하기 때문에, 인치당 수 테라비트의 소자 밀도를 얻을 수 있다. 상기 도핑 영역의 전기적 또는 자기적 상태는 접촉식 또는 비접촉식 측정을 통해서 검출될 수 있다. 예를 들면, 스캐닝 스퀴드 측정(Scanning SQUID microscopy; SSM) 방식 또는 이를 구현한 독출 구조에 의해 비파괴적 방식으로 상기 도핑 영역을 스캔하면서 자기적 상태 검출이 가능하다. According to an embodiment of the present invention, a doped region having a size of several nm to several tens nm is transferred locally to the second electrode E2 through a reversible conducting filament CF having a diameter of only a few nm. Or by applying magnetic states as switching devices or memory devices, device densities of terabits per inch can be achieved. The electrical or magnetic state of the doped region can be detected through contact or contactless measurement. For example, a magnetic state can be detected while scanning the doped region in a non-destructive manner by a scanning SQUID microscopy (SSM) method or a read structure implementing the same.

도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device according to various embodiments of the present disclosure.

도 3을 참조하면, 산소 이온 저장원을 포함하는 제 1 전극이 형성될 수 있다(S10). 상기 제 1 전극을 형성하는 것은 스퍼터링 또는 레이저 융발법과 같은 물리적 기상 증착, 화학적 기상 증착, 또는 원자층 증착 방법과 같은 도전성 박막 형성 공정이 적용될 수 있다. 상기 제 1 전극 상에 산소 이온 전달층이 형성된다(S20). 이후, 상기 산소 이온 전달층 상에 제 2 전극이 형성된다(S30).Referring to FIG. 3, a first electrode including an oxygen ion storage source may be formed (S10). The first electrode may be formed by a conductive thin film formation process such as physical vapor deposition, chemical vapor deposition, or atomic layer deposition. An oxygen ion transport layer is formed on the first electrode (S20). Thereafter, a second electrode is formed on the oxygen ion transport layer (S30).

일 실시예에서, 상기 제 1 전극을 형성하는 단계(S10)는, 에피택셜 기저층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 전극은, 에피택셜 기저층만으로 구성되거나, 도핑된 결정질의 실리콘, 티타늄 또는 텅스텐과 같은 제 1 도전층 상에 상기 에피택셜 기저층을 형성하여 적층 구조체의 형태로 제공될 수도 있다. 또한, 일 실시예에서, 상기 제 1 전극을 형성하는 단계(S10)는 상기 에피택셜 기저층 상에 산소 이온 저장원을 형성하는 단계가 더 수행될 수도 있다. 이 경우, 상기 에피택셜 기저층과 상기 산소 이온 저장원은 적층 구조의 도전성 층으로서 상기 제 1 전극의 적어도 일부를 구성할 수 있다. 상기 산소 이온 저장원은 상기 에피택셜 기저층에 의해 소정 방향으로 우선 배향되어 결정화될 수 있다.In an embodiment, the forming of the first electrode (S10) may include forming an epitaxial base layer. In this case, the first electrode may be formed only of an epitaxial base layer or may be provided in the form of a laminated structure by forming the epitaxial base layer on a first conductive layer such as doped crystalline silicon, titanium or tungsten. In an embodiment, the forming of the first electrode (S10) may further include forming an oxygen ion storage source on the epitaxial base layer. In this case, the epitaxial base layer and the oxygen ion storage source may constitute at least a portion of the first electrode as a conductive layer having a stacked structure. The oxygen ion storage source may be first oriented in a predetermined direction and crystallized by the epitaxial base layer.

상기 에피택셜 기저층은, 밀러 지수 (100) 또는 (111) 방향으로 배향된 페로브스카이트계 도전층일 수 있다. 예를 들면, 상기 에피택셜 기저층은 스트론튬루테늄 산화막일 수 있다. 상기 도전성 에피택셜 기저층이 산소 이온 저장원으로서 기능하는 경우, 상기 도전성 에피택셜 기저층만으로 상기 제 1 전극이 제공될 수도 있다. 상기 에피택셜 기저층은 후속 형성되는 선택적인 산소 이온 저장원과 브라운밀러라이트 구조의 산소 이온 전달층이 밀러 지수 (100) 또는 (111) 방향으로 우선 배향되어 결정화되도록 하는 헤테로에피택셜 성장을 가능하게 한다.The epitaxial base layer may be a perovskite-based conductive layer oriented in the Miller Index (100) or (111) direction. For example, the epitaxial base layer may be a strontium ruthenium oxide layer. When the conductive epitaxial base layer functions as an oxygen ion storage source, the first electrode may be provided only by the conductive epitaxial base layer. The epitaxial base layer enables heteroepitaxial growth such that an optional oxygen ion storage source subsequently formed and an oxygen ion transport layer of Brown Millerite structure are first oriented in the Miller Index (100) or (111) direction to crystallize. .

상기 에피택셜 기저층은 비도전성 페로브스카이트계 재료, 예를 들면, 스트론튬티타늄 산화막을 포함할 수 있으며, 이 경우, 비도전성 페로브스카이트계 재료 층 상에, 스트론튬루테늄 산화막 또는 루테늄 산화막과 같은 제 1 전극이 형성될 수 있다. 이 경우, 에피택셜 기저층인 밀러 지수 (100) 또는 (111) 방향의 스트론튬티타늄 산화막 상에 형성되는 스트론튬루테늄 산화막과 브라운밀러라이트 구조의 저항성 스위칭 층은 모두 밀러 지수 (100) 또는 (111) 방향으로 각각 헤테로에피택셜 결정화될 수 있다. 상기 헤테로에피택셜 결정화는 제 1 전극과 저항성 스위칭 층이 증착될 때, 인시츄로 달성되거나, 후속의 열처리를 통해서 달성될 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.The epitaxial base layer may comprise a non-conductive perovskite-based material, for example, a strontium titanium oxide film, in which case, on the non-conductive perovskite-based material layer, a first layer such as a strontium ruthenium oxide film or a ruthenium oxide film An electrode can be formed. In this case, both the strontium ruthenium oxide film formed on the strontium titanium oxide film in the direction of the Miller index (100) or (111) and the resistive switching layer of the brown millerite structure are in the Miller index (100) or (111) direction. Each may be heteroepitaxial crystallized. The heteroepitaxial crystallization may be achieved in situ when the first electrode and the resistive switching layer are deposited, or may be achieved through subsequent heat treatment, but the present invention is not limited thereto.

전술한 에피택셜 기저층은, 기판과 같은 벌크 형태로 제공되거나 펄스 레이저 융발법, 스퍼터링, 화학기상증착 또는 원자층 증착과 같은 기상 증착법에 의해 형성된 결정질 박막일 수 있다. The epitaxial base layer described above may be a crystalline thin film provided in bulk form such as a substrate or formed by vapor deposition such as pulsed laser fusion, sputtering, chemical vapor deposition or atomic layer deposition.

제 1 전극 상에 형성되는 산소 이온 전달층은 브라운밀러라이트 구조를 갖는 가변 저항층이다. 일 실시예에서, 상기 산소 이온 전달층은 펄스 레이저 융발법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판은 약 500 ℃ 내지 800 ℃의 범위 내로 가열되고, 0.1 mTorr 내지 100 mTorr의 압력 하에서, 1 J·cm-2 내지 10 J·cm- 2 의 레이저 플루언스와 1 Hz 내지 103 Hz의 반복률의 펄스형 레이저 융발법을 통해 상기 산소 이온 전달층이 형성될 수 있다. 상기 펄스형 레이저 융발법을 위해 상기 산소 이온 전달층의 구성 원소를 함유하는 고순도의 세라믹 타겟이 출발 재료로서 사용될 수 있다. 그러나, 상기 펄스형 레이저 융발법은, 예시적이며, 스퍼터링, 화학기상증착, 원자층 증착법, 또는 분자빔 에피택시와 같은 다른 기상 증착법이 적용될 수도 있다. 상기 산소 이온 전달층은 브라운밀러라이트 구조를 가지며, 하지의 에피택셜 기저층에 의해 밀러 지수 (111) 방향으로 우선 배향되어 결정화될 수 있다. The oxygen ion transport layer formed on the first electrode is a variable resistance layer having a Brown Millerite structure. In one embodiment, the oxygen ion transport layer may be formed by a pulse laser fusion method. For example, the substrate is heated in the range of about 800 to 500 ℃ ℃, under a pressure of 0.1 mTorr to 100 mTorr, 1 J · cm -2 to about 10 J · cm - 2 laser fluence Su 1 Hz to 10 The oxygen ion transport layer may be formed through a pulsed laser fusion method of a repetition rate of 3 Hz. A high purity ceramic target containing the constituent elements of the oxygen ion transport layer can be used as the starting material for the pulsed laser fusion method. However, the pulsed laser fusion method is exemplary, and other vapor deposition methods such as sputtering, chemical vapor deposition, atomic layer deposition, or molecular beam epitaxy may be applied. The oxygen ion transport layer has a Brown Millerite structure, and may be first oriented in the Miller index 111 direction by the underlying epitaxial base layer to crystallize.

상기 산소 이온 전달층의 결정화는 이의 박막 증착과 함께 인시츄로 또는 후속 열처리를 통한 엑스시츄로 달성될 수 있다. 이후, 상기 산소 이온 전달층 상에 제 2 전극을 형성함으로써 비휘발성 메모리 소자가 제공될 수 있다(S30). 상기 비휘발성 메모리 소자를 형성한 후, 전기적 포밍 과정을 통해 상기 산소 이온 전달층 내에 가역적 컨덕팅 필라멘트를 형성하여 산소 이온의 전달 경로가 형성된 비휘발성 메모리 소자가 제공될 수 있다. Crystallization of the oxygen ion transport layer can be accomplished in situ with its thin film deposition or ex situ through subsequent heat treatment. Thereafter, a nonvolatile memory device may be provided by forming a second electrode on the oxygen ion transport layer (S30). After forming the nonvolatile memory device, a nonvolatile memory device in which an oxygen ion transfer path is formed by forming a reversible conducting filament in the oxygen ion transport layer through an electrical forming process may be provided.

실험예Experimental Example

본 발명의 실시예에 따른 산소 이온 전달층을 제조하여 그 특성이 분석되었다. 상기 저항성 스위칭 층의 제조를 위해, 순도 99.9%의 다결정질의 스트론튬철 산화물(SFO) 타겟이 사용되었다. 상기 스트론튬철 산화물 타겟은 출발 재료로서, SrCo3 와 Fe2O3를 화학양론적으로 혼합하여 900 ℃에서 12 시간 동안 하소한 후, 12 시간 동안 약 1000 ℃에서 소결하, 제조되었다.An oxygen ion transport layer according to an embodiment of the present invention was prepared and its characteristics were analyzed. For the production of the resistive switching layer, a 99.9% purity polycrystalline strontium iron oxide (SFO) target was used. The strontium iron oxide target was prepared by stoichiometrically mixing SrCo 3 and Fe 2 O 3 as a starting material, calcining at 900 ° C. for 12 hours, and then sintering at about 1000 ° C. for 12 hours.

제 1 전극으로서, 스트론튬루테늄 산화물(SRO) 막이 형성되었다. 이때, 스트론튬 루테늄 산화물(SRO) 막의 결정 배향을 밀러 지수 (100) 방향으로 하기 위해 에피택셜 기저층으로서 밀러 지수 밀러 지수 (100) 방향으로 배향된 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 스트론튬티타늄 산화물(STO) 기판이 사용되었다. 이에 의해, 스트론튬루테늄 산화물(SRO) 막은, 상기 기판 상에서 에피택셜 성장하여, 밀러 지수 (100) 방향으로 배향된 결정성을 갖는다. 상기 제 1 전극은 KrF 엑시머 레이저(반복률: 4 Hz, 플루언스: ~ 2.5 J·cm-- 2)를 이용한 펄스 레이저 증발법에 의해 형성되었으며, 상기 기판의 온도는 750 ℃ 이다. 상기 스트론튬 루테늄 산화물(SRO) 막은 약 3.95 Å의 면외 격자 상수(out of plane lattice constant)를 갖는다.As a first electrode, a strontium ruthenium oxide (SRO) film was formed. At this time, the strontium titanium oxide (STO) having a perovskite crystal structure oriented in the Miller index Miller index (100) direction as an epitaxial base layer so that the crystal orientation of the strontium ruthenium oxide (SRO) film in the Miller index (100) direction. Substrates were used. As a result, the strontium ruthenium oxide (SRO) film is epitaxially grown on the substrate and has crystallinity oriented in the Miller index (100) direction. The first electrode was formed by a pulse laser evaporation method using a KrF excimer laser (repetition rate: 4 Hz, fluence: ˜2.5 J · cm 2 ), and the temperature of the substrate was 750 ° C. The strontium ruthenium oxide (SRO) film has an out of plane lattice constant of about 3.95 GPa.

상기 스트론튬루테늄 산화물(SRO) 막 상에 저항성 스위칭 층으로서 브라운밀러라이트 구조의 스트론튬 철 산화물(SFO) 막이 형성되었다. 상기 SFO 막은 약 10 mTorr 압력 하에서 기판의 온도가 약 650 ℃에서 KrF 엑시머 레이저(반복률: 4 Hz, 플루언스: ~ 2.1 J·cm-- 2)의 펄스 레이저 증발법에 의해 증착되었다. 상기 스트론튬루테늄 산화물(SRO) 막의 두께는 약 80 nm이다.A strontium iron oxide (SFO) film of brown millerite structure was formed on the strontium ruthenium oxide (SRO) film as a resistive switching layer. The SFO film was deposited by a pulse laser evaporation method of a KrF excimer laser (repetition rate: 4 Hz, fluence: ˜2.1 J · cm 2 ) at a temperature of about 650 ° C. under a pressure of about 10 mTorr. The thickness of the strontium ruthenium oxide (SRO) film is about 80 nm.

이후, 제 2 전극으로서, 전자빔 증발법에 의해 약 80 nm 두께의 금(Au) 박막을 형성하였다. 이에 의해 Au 박막(제 2 전극)/ BM SFO 박막(산소 이온 전달층)/SRO 박막(제 1 전극)/ STO (에피택셜 기저층)의 에피택셜 적층 구조가 제조되었으며, 이의 구조적 및 전기적 특성 평가가 수행되었다. Thereafter, as a second electrode, a thin film of gold (Au) having a thickness of about 80 nm was formed by electron beam evaporation. As a result, an epitaxial layered structure of Au thin film (second electrode) / BM SFO thin film (oxygen ion transport layer) / SRO thin film (first electrode) / STO (epitaxial base layer) was produced, and its structural and electrical properties were evaluated. Was performed.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SFO의 산소 이온 전달층(BM)을 갖는 메모리 셀의 전류-전압 거동을 도시하는 그래프이다.4 is a graph illustrating the current-voltage behavior of a memory cell with an oxygen ion transport layer (BM) of an SFO in accordance with one embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 측정용 메모리 셀은 도 6에 내에 삽입된 그림과 구조로 제 1 전극(EL1; 예를 들면, 산소 이온 공급이 가능한 SRO 전극임)는 공통 전극으로 하고, 제 2 전극(EL2; 예를 들면, Au 전극임)을 형성되어 제조되었다. I-V 스윕은 제 2 전극(EL2)에 가변 바이어스를 인가하고, 제 1 전극(EL1)은 접지시킨 상태에서 수행되었다. Referring to FIG. 4, the measurement memory cell has the structure illustrated in FIG. 6 and the first electrode EL1 (for example, an SRO electrode capable of supplying oxygen ions) is a common electrode, and the second electrode ( EL2 (for example, Au electrode) was formed. The I-V sweep was performed with a variable bias applied to the second electrode EL2 and the first electrode EL1 grounded.

본 발명의 실시예에 따르면, 전기적 포밍 이후 양극성 이력 특성이 구현될 수도 있음이 관찰되었다. 본 발명의 실시예에 따른 메모리 소자는 화살표 1로 나타낸 것과 같이 낮지만 약 0.6 Ⅴ의 전압 VF에서 전기적 포밍 과정을 필요로 한다. 이에 의해 산소 이온 전달층(BM)은 저저항 상태(LRS)가 된다. 저저항 상태(LRS)에서 인가된 전압을 감소시키면 화살표 2로 나타낸 경로를 따른다.According to embodiments of the present invention, it has been observed that bipolar hysteresis characteristics may be implemented after electrical forming. The memory device according to the embodiment of the present invention is low as indicated by arrow 1, but requires an electrical forming process at a voltage V F of about 0.6V. As a result, the oxygen ion transport layer BM becomes a low resistance state LRS. Reducing the applied voltage in the low resistance state LRS follows the path indicated by arrow 2.

이후, 음의 바이어스에서 화살표 3으로 나타낸 것과 같이 리셋 동작이 수행된다. 메모리 셀은 화살표 4로 지칭된 것과 같이 고저항 상태(HRS)가 된다. 이후, 양의 바이어스가 인가되면 화살표 5로 나타낸 것과 같이 셋 동작이 수행되며, 메모리 셀은 다시 저저항 상태(LRS)로 스위칭 된다. 이때, 전기적 포밍 전압(VF)은 셋 전압 Vset보다 낮음을 알 수 있다.The reset operation is then performed as indicated by arrow 3 at the negative bias. The memory cell is in a high resistance state (HRS) as indicated by arrow 4. Thereafter, when a positive bias is applied, a set operation is performed as indicated by arrow 5, and the memory cell is switched back to the low resistance state LRS. In this case, it can be seen that the electrical forming voltage V F is lower than the set voltage V set .

도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 형성된 비휘발성 메모리 소자(MD)의 초기 상태를 도시하고, 도 5b는 셋 상태의 비휘발성 메모리 소자(MD) 내에 형성된 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)를 도시하고, 도5c는 형성된 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF)가 붕괴된 상태를 도시하는 단면도이다.FIG. 5A illustrates an initial state of a nonvolatile memory device MD formed in accordance with another embodiment of the present invention, and FIG. 5B illustrates a reversible conducting filament CF formed in a nonvolatile memory device MD in a set state. 5C is a cross-sectional view showing a state in which the formed reversible conducting filament CF is collapsed.

도 5a를 참조하면, 제 1 전극(E1), 제 2 전극(E2) 및 산소 이온 전달층(BM)을 포함하는 비휘발성 메모리 소자(MD)가 개시된다. 비휘발성 메모리 소자(MD)는 전술한 메모리 셀, 센서, 퓨즈 또는 논리 소자와 같은 부재로서 응용될 수 있다. Referring to FIG. 5A, a nonvolatile memory device MD including a first electrode E1, a second electrode E2, and an oxygen ion transport layer BM is disclosed. The nonvolatile memory device MD may be applied as a member such as a memory cell, a sensor, a fuse, or a logic device described above.

제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2) 사이의 산소 이온 전달층(BM)은 초기 구조로서 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)을 가로지르도록 경사 배향되어 결정화된 브라운밀러라이트 구조를 갖는다. 일 실시예에서, 산소 이온 전달층(BM)의 브라운밀러라이트 구조는, 밀러지수 (111) 방향으로 우선 배향될 수도 있다. The oxygen ion transport layer BM between the first electrode E1 and the second electrode E2 has an initial structure and is inclinedly oriented so as to cross the first electrode E1 and the second electrode E2 and is crystallized. It has a light structure. In one embodiment, the Brown Millerite structure of the oxygen ion transport layer (BM) may first be oriented in the Miller Index (111) direction.

상기 초기 구조의 브라운밀러라이트 구조의 산소 이온 전달층은, 후술하는 리셋 동작에 의한 고저항 상태보다 더 큰 저항 값을 갖는 구조적 질서를 갖는 절연체이다. 일 실시예에서, 밀러 지수 (111) 방향으로 연장된 8 면체 구조 층들(L8) 중 8 면체 슬라브 층들(L8s)은 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)을 접촉하여 가로질러 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)을 연결할 수 있다. 이들 서로 인접하는 8 면체 슬라브 층들(L8s) 사이에는 4 면체 슬라브 층이 배치된다. 상기 8 면체 슬라브 층들은 적어도 1 이상의 층일 수 있으며, 반드시 복수 개일 필요는 없다. 상기 8 면체 슬라브 층들(L8s)와 4 면체 슬라브 층들(L4s)은 집합적으로 초기 슬라브 층(Ls)을 구성한다.The oxygen ion transport layer of the Brown Millerite structure of the initial structure is an insulator having a structural order having a larger resistance value than a high resistance state by a reset operation described later. In one embodiment, the octahedral slab layers L8s of the octahedral structural layers L8 extending in the direction of the Miller index 111 are in contact with and across the first electrode E1 and the second electrode E2. The electrode E1 and the second electrode E2 may be connected. A tetrahedral slab layer is disposed between these adjacent octahedral slab layers L8s. The octahedral slab layers may be at least one layer, and need not necessarily be plural. The octahedral slab layers L8s and tetrahedral slab layers L4s collectively constitute an initial slab layer Ls.

슬라브 층(Ls)은 초기 구조의 산소 이온 전달층에서 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)을 가로질러 연결하는 결정질 영역이며, 브라운밀러라이트 구조가 기판 또는 전극(E1 E2)의 주 방향에 평행하지 않는 방향, 예를 들면, 밀러 지수 (100) 방향이 아닌 밀러 지수 (111) 방향으로 배향되고, 산소 이온 전달층(BM)이 적합한 두께를 갖는다면 하나 또는 복수의 슬라브 층(Ls)이 확보될 수 있다.The slab layer Ls is a crystalline region connecting across the first electrode E1 and the second electrode E2 in the oxygen ion transport layer of the initial structure, and the Brown Millerite structure is the main portion of the substrate or the electrode E1 E2. One or more slab layers Ls if they are oriented in a direction that is not parallel to the direction, for example, in the Miller index 111 direction and not in the Miller index 100 direction, and the oxygen ion transport layer BM has a suitable thickness. ) Can be secured.

본 발명의 실시예에 따른 산소 이온 전달층(BM)의 가역적 컨덕팅 필라멘트는 비휘발성 메모리 소자(MD)의 제 1 전극(E1)과 제 2 전극(E2)을 가로지르는 브라운밀러라이트 구조의 초기 슬라브 층(Ls)에서 4 면체 슬라브 층(L4s)의 적어도 일부가 산화되어 8 면체 층으로 변함으로써 제공된다. 전술한 것과 같이, 전기적 포밍 과정을 겪기 이전에 도 5a의 브라운밀러라이트 구조를 갖는 비휘발성 메모리 소자(MD)는 전기적으로 부도체이다. 그러나, 도 5b를 참조하면, 전기적 포밍 과정에서, 예를 들면, 제 2 전극(E2)에 양의 포밍 전압(VF)을 인가하고, 제 1 전극(E1)을 접지하면, 제 1 전극(E1)으로부터(이 경우, 제 1 전극(E1) 내에 산소 공급층(도 1a의 OL 참조)이 포함될 수 있음) 산소 이온 전달층(BM)으로 산소 음이온들이 드리프트된다. 상기 드리프트되는 산소 음이온이 산소 이온 전달층(BM) 내에 도핑되고, 이에 의해, 도 5a의 산소 공핍의 4 면체 슬라브 층들(L4s)이 산화되면 위상 상전이를 통하여 8 면체 슬라브 층(L8s)이 될 수 있다. 이때는 3 개 이상의 층 상 구조가 합쳐진 평면 형상의 도전성 필라멘트를 형성할 수도 있다.The reversible conducting filament of the oxygen ion transport layer BM according to the embodiment of the present invention is the initial stage of the Brown Millerite structure across the first electrode E1 and the second electrode E2 of the nonvolatile memory device MD. At least a portion of the tetrahedral slab layer L4s in the slab layer Ls is provided by oxidizing to an octahedral layer. As described above, before undergoing the electrical forming process, the nonvolatile memory device MD having the Brown Millerite structure of FIG. 5A is electrically insulated. However, referring to FIG. 5B, when the positive forming voltage V F is applied to the second electrode E2 and the first electrode E1 is grounded, for example, in the electrical forming process, the first electrode ( Oxygen anions are drifted from E1) (in this case, an oxygen supply layer (see OL in FIG. 1A) can be included in the first electrode E1) to the oxygen ion transport layer BM. The drift oxygen anion is doped in the oxygen ion transport layer (BM), whereby the tetrahedral slab layers (L4s) of the oxygen depletion of Figure 5a can be oxidized octahedral slab layer (L8s) through phase phase transition. have. In this case, a planar conductive filament in which three or more layered structures are combined may be formed.

도 5b를 참조하여 설명한 도전성 필라멘트의 형상은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이러한 도전성 필라멘트는 복수 개이거나 평면 형상과 막대 형상이 결합된 여하의 형상을 가질 수도 있다. 예를 들면, 산소 이온 전달층(BM) 내에 서로 다른 배향의 브라운밀러라이트 결정 구조가 혼재된 경우, 2 이상의 평면 형상이 교차되거나, 2 이상의 막대 형상이 서로 교차되거나, 평면 형상과 막대 형상이 서로 결합된 복합 구조를 형성할 수도 있다. The shape of the conductive filament described with reference to FIG. 5B is exemplary only, and the present invention is not limited thereto. In addition, the conductive filaments may be plural or have any shape in which a planar shape and a bar shape are combined. For example, when Brown Millerite crystal structures of different orientations are mixed in the oxygen ion transport layer (BM), two or more planar shapes intersect, two or more bar shapes intersect each other, or a planar shape and a bar shape intersect each other. It is also possible to form a combined composite structure.

일 실시예에서, 상기 전기적 포밍 과정은, 제 1 전극(E1)은 접지하고, 제 2 전극(E2)에 바이어스를 인가하고, 이때 제 2 전극(E2)에 인가되는 포밍 전압(VF)은 0.4 Ⅴ 내지 2 Ⅴ의 범위 내일 수 있으며, 일부 실시예에서는, 0.5 Ⅴ 내지 1 Ⅴ 일 수 있다. 그러나, 이러한 전압 범위는 예시적일 뿐, 산소 이온 전달층(BM)의 브라운밀러라이트 구조가 실질적으로 단결정인 경우에는 별도의 전기적 포밍 과정이 없어도 가역적으로 셀 동작과 리셋 동작이 수행될 수 있으며, 이런 경우에는 포밍 전압(VF)은 필요 없을 수 있으며, 실질적으로 포밍 전압(VF)이 0 Ⅴ인 경우에 해당한다. 상기 전기적 포밍 과정, 가역적 컨덕팅 필라멘트(CF), 스위칭 존(SZ)은 전술한 도 2a 내지 도 2d의 비휘발성 메모리 소자(MD)의 특징들이 참조될 수 있다.In one embodiment, the electrical forming process, the first electrode (E1) is grounded, applying a bias to the second electrode (E2), wherein the forming voltage (V F ) is applied to the second electrode (E2) 0.4 V to 2 V, and in some embodiments, 0.5 V to 1 V. However, this voltage range is only an example, and when the Brown Millerite structure of the oxygen ion transport layer (BM) is substantially single crystal, cell operation and reset operation may be reversibly performed without a separate electrical forming process. In this case, the forming voltage V F may not be necessary and corresponds to a case in which the forming voltage V F is 0V. The electrical forming process, the reversible conducting filament CF, and the switching zone SZ may be referred to the features of the nonvolatile memory device MD of FIGS. 2A to 2D described above.

당업자라면, 전술한 실시예는 (111) 방향으로 우선 배향된 브라운밀러라이트 구조의 저항성 층에 관한 것이지만, 전기적 포밍 과정의 전력 소모를 저감시키기 위한 슬라브 층의 배향은 밀러 지수 (111) 방향에 한정되지 않고, 제 1 전극과 제 2 전극을 가로지를 수 있는 여하의 경사 방향을 가질 수 있음을 이해할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 실시예에 포함됨을 분명히 한다.For those skilled in the art, the above embodiment relates to the resistive layer of the Brown Millerite structure oriented first in the (111) direction, but the orientation of the slab layer to reduce the power consumption of the electrical forming process is limited to the Miller Index (111) direction. It will be appreciated that it can be understood that it can have any inclined direction that can cross the first electrode and the second electrode, which is also included in the embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀러 지수 (111) 방향으로 결정화된 SFO의 산소 이온 전달층(BM)을 갖는 메모리 셀의 전류-전압 거동을 도시하는 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating the current-voltage behavior of a memory cell having an oxygen ion transport layer (BM) of SFO crystallized in the Miller index 111 direction according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 측정용 메모리 셀은 도 6에 내에 삽입된 그림과 구조로 제 1 전극(E1; 예를 들면, 산소 이온 공급이 가능한 SRO 전극임)는 공통 전극으로 하고, 제 2 전극(E2; 예를 들면, Au 전극임)을 형성되어 제조되었다. I-V 스윕은 제 2 전극(E2)에 가변 바이어스를 인가하고, 제 1 전극(E1)은 접지시킨 상태에서 수행되었다.Referring to FIG. 6, the measurement memory cell has a structure and a diagram inserted in FIG. 6, and the first electrode E1 (for example, an SRO electrode capable of supplying oxygen ions) is a common electrode, and the second electrode ( E2; for example, Au electrode). The I-V sweep was performed with a variable bias applied to the second electrode E2 and the first electrode E1 grounded.

본 발명의 실시예에 따르면, 전기적 포밍 과정 없이 양극성 이력 특성이 구현될 수도 있음이 관찰되었다. 초기 구조를 갖는 가변 저항체에 대해 곡선 NC로 나타낸 것과 같이, 전압 스윕을 화살표 1과 같이 음의 방향을 먼저 수행한 경우, 그대로 화살표 2의 경로를 따라 저항성 스위칭 특성이 발현되지 않는다. 이로부터 본 발명의 실시예에 따른 도전성 필라멘트는, 제 1 전극(E1)으로부터 공급되는 산소 이온에 의해 형성됨을 알 수 있다. 또한, 이러한 극성에 대한 선택성으로부터, 본 발명의 메모리 셀은 특성 극성에서만 전류가 흐르는 셀프-정류 효과를 가질 수 있으며, 이를 이용하여 선택 소자가 생략된 더욱 간소한 메모리 셀 어레이를 구현할 수도 있다.In accordance with an embodiment of the present invention, it has been observed that bipolar hysteresis characteristics may be implemented without an electrical forming process. As shown by the curve NC for the variable resistor having the initial structure, when the voltage sweep is first performed in the negative direction as shown by arrow 1, the resistive switching characteristic is not expressed along the path of arrow 2 as it is. From this, it can be seen that the conductive filament according to the embodiment of the present invention is formed by oxygen ions supplied from the first electrode E1. In addition, from the selectivity with respect to the polarity, the memory cell of the present invention can have a self-rectification effect in which current flows only in the characteristic polarity, and it is possible to implement a simpler memory cell array in which the selection element is omitted.

곡선 SC를 참조하면, 화살표 3과 같이 양의 바이어스를 증가시키는 경우, 별도의 전기적 포밍 과정이 없었음에도 셋(SET) 동작이 일어나 산소 이온 전달층(BM)은 저저항 상태(LRS)가 되며, 화살표 4로 나타낸 것과 같이 양의 바이어스가 감소되다가 화살표 5로 나타낸 것과 같이 음의 전압이 인가되면 리셋(RESET) 동작이 일어나면, 산소 이온 전달층(BM)은 화살표 6으로 나타낸 것과 같이 고저항 상태(HRS)의 거동을 한다.Referring to the curve SC, when the positive bias is increased as shown by the arrow 3, the set operation occurs even though there is no separate electrical forming process, and thus the oxygen ion transport layer BM becomes a low resistance state (LRS). If a positive bias is reduced as indicated by arrow 4 and a reset operation occurs when a negative voltage is applied as shown by arrow 5, the oxygen ion transport layer (BM) is in a high resistance state (as shown by arrow 6). HRS) behavior.

본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자 또는 비휘발성 메모리 소자는 초기 구조로서 제 1 전극과 제 2 전극을 가로질러 경사 배향되어 결정화된 브라운밀러라이트 구조의 산소 이온 전달층(BM)을 사용함으로써, 전기적 포밍 과정이 실질적으로 없이 양극성 특성을 갖는 스위칭 소자가 제공될 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 여러 메모리 셀들에서 I-V 특성을 평가한 결과, 본 발명의 실시예에 따르면, 메모리 셀들간 특성 편차가 거의 없음이 확인되었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 전력 소모가 작고, 비휘발성 메모리 소자로 적용시 메모리 셀들간 성능 편차가 완화되고, 우수한 신뢰성을 갖는 고집적 비휘발성 메모리 소자가 제공될 수 있을 것이다. The switching device or the nonvolatile memory device according to the embodiment of the present invention uses an oxygen ion transport layer (BM) having a Brown Millerite structure crystallized obliquely oriented across the first electrode and the second electrode as an initial structure. A switching element having bipolar characteristics may be provided with substantially no forming process. In addition, as a result of evaluating the I-V characteristics in the various memory cells shown in FIG. 6, it was confirmed that there is almost no characteristic variation between the memory cells according to the embodiment of the present invention. Therefore, according to the embodiment of the present invention, a high-integrated non-volatile memory device having low power consumption, alleviating performance variation between memory cells when applied to the non-volatile memory device, and having excellent reliability may be provided.

본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 개시된 다양한 비휘발성 메모리 소자는 단일 메모리 소자로 구현되거나, 하나의 웨이퍼 칩 내에서 다른 이종 장치들, 예를 들면, 논리 프로세서, 이미지 센서, RF 소자와 같은 다른 장치들과 함께 SOC(system on chip)의 형태로 구현될 수도 있을 것이다. 또한, 비휘발성 메모리 소자가 형성된 웨이퍼 칩과 이종 장치가 형성된 다른 웨이퍼 칩을 접착제, 솔더링 또는 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 접합함으로써 하나의 칩 형태로 구현될 수도 있을 것이다.Various non-volatile memory devices disclosed with reference to the accompanying drawings herein may be implemented as a single memory device or other heterogeneous devices within one wafer chip, for example, other devices such as logic processors, image sensors, RF devices. Together with these, they may be implemented in the form of a system on chip (SOC). In addition, the wafer chip in which the nonvolatile memory device is formed and the other wafer chip in which the heterogeneous device is formed may be bonded to each other by using an adhesive, soldering, or wafer bonding technique.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 시스템(500)을 도시하는 블록도이다.7 is a block diagram illustrating a memory system 500 according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 메모리 시스템(500)은 메모리 컨트롤러(510) 및 비휘발성 메모리 소자(520)를 포함한다. 메모리 컨트롤러(510)는 비휘발성 메모리 소자(520)에 대해 에러정정코드를 수행할 수 있다. 메모리 컨트롤러(510)는 외부로부터의 명령어와 어드레스를 참조하여 비휘발성 메모리 소자(520)를 제어할 수 있다. Referring to FIG. 7, the memory system 500 includes a memory controller 510 and a nonvolatile memory device 520. The memory controller 510 may perform an error correction code on the nonvolatile memory device 520. The memory controller 510 may control the nonvolatile memory device 520 by referring to an instruction and an address from the outside.

메모리 컨트롤러(510)는 호스트로부터 쓰기 요청을 수신하면, 쓰기 요청된 데이터에 대한 에러 정정 인코딩을 수행할 수 있다. 또한, 메모리 컨트롤러(510)는 상기 인코딩된 데이터를 제공된 어드레스에 대응하는 메모리 영역에 프로그램하도록 비휘발성 메모리 소자(520)를 제어할 수 있다. 또한, 메모리 컨트롤러(510)는 읽기 동작시 비휘발성 메모리 소자(520)로부터 출력된 데이터에 대한 에러 정정 디코딩을 수행할 수 있다. 상기 에러 정정 디코딩에 의해서 출력 데이터에 포함되는 에러가 정정될 수 있다. 상기 에러의 검출 및 정정을 수행하기 위하여 메모리 컨트롤러(510)는 에러 정정 블록(515)을 포함할 수 있다.When the memory controller 510 receives a write request from the host, the memory controller 510 may perform error correction encoding on the write requested data. In addition, the memory controller 510 may control the nonvolatile memory device 520 to program the encoded data into a memory area corresponding to the provided address. In addition, the memory controller 510 may perform error correction decoding on data output from the nonvolatile memory device 520 during a read operation. The error included in the output data may be corrected by the error correction decoding. The memory controller 510 may include an error correction block 515 to detect and correct the error.

비휘발성 메모리 소자(520)는 메모리 셀 어레이(521) 및 페이지 버퍼(523)를 포함할 수 있다. 메모리 셀 어레이(521)는 싱글 레벨 메모리 셀 또는 2 이상의 비트의 멀티 레벨 메모리 셀의 어레이를 포함할 수 있다. 메모리 컨트롤러(510)는 프로그램 명령을 수신하면, 전술한 실시예들에 따라, 프린징 필드의 분산이 제한되어, 전하 트랩 저장층의 메모리 셀 사이의 영역에 누적되는 프로그램 전하를 감소 또는 억제할 수 있다.The nonvolatile memory device 520 may include a memory cell array 521 and a page buffer 523. The memory cell array 521 may include a single level memory cell or an array of two or more bits of multilevel memory cells. Upon receiving the program command, the memory controller 510 may limit the dispersion of the fringing field according to the above-described embodiments, thereby reducing or suppressing program charge accumulated in an area between memory cells of the charge trap storage layer. have.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고상 디스크(이하, SSD)를 포함하는 저장 장치(1000)를 도시하는 블록도이다.8 is a block diagram illustrating a storage device 1000 including a solid state disk (hereinafter, SSD) according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 저장 장치(1000)는 호스트(1100)와 SSD(1200)를 포함한다. SSD(1200)는 SSD 컨트롤러(1210), 버퍼 메모리(1220), 그리고 비휘발성 메모리 소자(1230)를 포함할 수 있다. SSD 컨트롤러(1210)는 호스트(1100)와 SSD(1200) 사이의 전기적 및 물리적 연결을 제공한다. 일 실시예에서, SSD 컨트롤러(1210)는 호스트(1100)의 버스 포맷(Bus format)에 대응하여 SSD(1200)와의 인터페이싱을 제공한다. 또한, SSD 컨트롤러(1210)는, 호스트(1100)로부터 제공되는 명령어를 디코딩하고 디코딩된 결과에 따라, 비휘발성 메모리 소자(1230)를 액세스할 수 있다. 호스트(1100)의 버스 포맷(Bus format)의 비제한적 예로서, USB(Universal Serial Bus), SCSI(Small Computer System Interface), PCI express, ATA(Advanced Technology Attachment), PATA(Parallel ATA), SATA(Serial ATA), 및 SAS(Serial Attached SCSI)이 포함될 수 있다.Referring to FIG. 8, the storage device 1000 includes a host 1100 and an SSD 1200. The SSD 1200 may include an SSD controller 1210, a buffer memory 1220, and a nonvolatile memory device 1230. The SSD controller 1210 provides an electrical and physical connection between the host 1100 and the SSD 1200. In one embodiment, SSD controller 1210 provides interfacing with SSD 1200 in response to a bus format of host 1100. In addition, the SSD controller 1210 may decode an instruction provided from the host 1100 and access the nonvolatile memory device 1230 according to the decoded result. Non-limiting examples of the bus format of the host 1100 include Universal Serial Bus (USB), Small Computer System Interface (SCSI), PCI express, Advanced Technology Attachment (ATA), Parallel ATA (PATA), SATA ( Serial ATA), and Serial Attached SCSI (SAS).

버퍼 메모리(1220)에는 호스트(1100)로부터 제공되는 쓰기 데이터 또는 비휘발성 메모리 소자(1230)로부터 독출된 데이터가 임시 저장될 수 있다. 호스트(1100)의 읽기 요청시에 비휘발성 메모리 소자(1230)에 존재하는 데이터가 캐시되어 있는 경우에는, 버퍼 메모리(1220)는 캐시된 데이터를 직접 호스트(1100)로 제공하는 캐시 기능이 제공될 수 있다. 일반적으로, 호스트(1100)의 버스 포맷(예를 들면, SATA 또는 SAS)에 의한 데이터 전송 속도는 SSD(1200)의 메모리 채널의 전송 속도보다 더 빠를 수 있다. 이 경우, 대용량의 버퍼 메모리(1220)가 제공되어 속도 차이로 발생하는 성능 저하를 최소화할 수 있다. 이를 위한 버퍼 메모리(1220)는 충분한 버퍼링을 제공하기 위해 동기식 DRAM(Synchronous DRAM)일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.Write data provided from the host 1100 or data read from the nonvolatile memory device 1230 may be temporarily stored in the buffer memory 1220. If the data existing in the nonvolatile memory device 1230 is cached at the read request of the host 1100, the buffer memory 1220 may be provided with a cache function that directly provides the cached data to the host 1100. Can be. In general, the data transfer rate by the bus format (eg, SATA or SAS) of the host 1100 may be faster than the transfer rate of the memory channel of the SSD 1200. In this case, a large buffer memory 1220 may be provided to minimize performance degradation caused by speed differences. The buffer memory 1220 for this may be a synchronous DRAM (Dynamic DRAM) to provide sufficient buffering, but is not limited thereto.

비휘발성 메모리 소자(1230)는 SSD(1200)의 저장 매체로서 제공될 수 있다. 예를 들면, 비휘발성 메모리 소자(1230)는 전술한 실시예에 따른 저항성 스위칭 층을 갖는 메모리 셀을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 비휘발성 메모리 소자(1230)로서 노어 플래시 메모리, 상변화 메모리, 자성 메모리, 저항 메모리, 강유전체 메모리 또는 이들 중 선택된 이종의 메모리 장치들이 혼용되는 메모리 시스템도 적용될 수 있다. The nonvolatile memory device 1230 may be provided as a storage medium of the SSD 1200. For example, the nonvolatile memory device 1230 may include a memory cell having a resistive switching layer according to the above-described embodiment. In another example, a memory system in which a NOR flash memory, a phase change memory, a magnetic memory, a resistive memory, a ferroelectric memory, or a selected heterogeneous memory device is mixed as the nonvolatile memory device 1230 may be used.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메모리 시스템(2000)을 도시하는 블록도이다.9 is a block diagram illustrating a memory system 2000 according to another embodiment of the present invention.

도 9을 참조하면, 본 발명에 따른 메모리 시스템(2000)은 메모리 컨트롤러(2200) 및 비휘발성 메모리 소자(2100)를 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리 소자(2100)는 도 1 내지 도 6을 참조하여 개시한 가변 저항체를 포함할 수 있다. 메모리 컨트롤러(2200)는 비휘발성 메모리 소자(2100)를 제어하도록 구성될 수 있다. SRAM(2230)은 CPU(2210)의 동작 메모리로서 사용될 수 있다. 호스트 인터페이스(2220)는 메모리 시스템(2000)과 접속되는 호스트의 데이터 교환 프로토콜을 구현할 수 있다. 메모리 컨트롤러(2200)에 구비된 에러 정정 회로(2240)는 비휘발성 메모리 소자(2100)로부터 독출된 데이터에 포함된 에러를 검출 및 정정할 수 있다. 메모리 인터페이스(2260)는 본 발명의 메모리 소자(2100)와 인터페이싱할 수 있다. CPU(2210)는 메모리 컨트롤러(2200)의 데이터 교환을 위한 제반 제어 동작을 수행할 수 있다. 본 발명에 따른 메모리 시스템(2000)은 호스트(Host)와의 인터페이싱을 위한 코드 데이터를 저장하는 ROM(미도시됨)을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9, the memory system 2000 according to the present invention may include a memory controller 2200 and a nonvolatile memory device 2100. The nonvolatile memory device 2100 may include the variable resistor described with reference to FIGS. 1 to 6. The memory controller 2200 may be configured to control the nonvolatile memory device 2100. SRAM 2230 may be used as the operating memory of CPU 2210. The host interface 2220 may implement a data exchange protocol of a host connected to the memory system 2000. The error correction circuit 2240 included in the memory controller 2200 may detect and correct an error included in data read from the nonvolatile memory device 2100. The memory interface 2260 may interface with the memory device 2100 of the present invention. The CPU 2210 may perform various control operations for exchanging data of the memory controller 2200. The memory system 2000 according to the present invention may further include a ROM (not shown) that stores code data for interfacing with a host.

메모리 컨트롤러(2100)는 USB, MMC, PCI-E, SAS, SATA, PATA, SCSI, ESDI, 또는 IDE과 같은 다양한 인터페이스 프로토콜들 중 어느 하나를 통해 외부 회로(예를 들면, 호스트)와 통신하도록 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 메모리 시스템(2000)은, 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, UMPC (Ultra Mobile PC), 워크스테이션, 넷북(net-book), PDA, 포터블(portable) 컴퓨터, 타블렛(tablet), 무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 디지털 카메라(digital camera), 디지털 음성 녹음기(digital audio recorder), 디지털 음성 재생기(digital audio player), 디지털 영상 녹화기(digital picture recorder), 디지털 영상 재생기(digital picture player), 디지털 동영상 녹화기(digital video recorder), 디지털 동영상 재생기(digital video player), 정보를 무선 환경에서 송수신할 수 있는 장치, 홈 네트워크와 같은 다양한 사용자 장치들에 적용될 수 있다.The memory controller 2100 is configured to communicate with external circuitry (eg, a host) via any one of a variety of interface protocols such as USB, MMC, PCI-E, SAS, SATA, PATA, SCSI, ESDI, or IDE. Can be. The memory system 2000 according to the present invention includes a computer, a portable computer, a UMPC (Ultra Mobile PC), a workstation, a netbook, a PDA, a portable computer, a tablet, a wireless telephone. phone, mobile phone, smart phone, digital camera, digital audio recorder, digital audio player, digital picture recorder It can be applied to various user devices such as digital video player, digital video recorder, digital video player, a device capable of transmitting and receiving information in a wireless environment, and a home network. have.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 데이터 저장 장치(3000)를 도시하는 블록도이다. 10 is a block diagram illustrating a data storage device 3000 according to another exemplary embodiment.

도 10은 참조하면, 본 발명에 따른 데이터 저장 장치(3000)는 비휘발성 메모리(3100) 및 메모리 컨트롤러(3200)를 포함할 수 있다. 메모리 컨트롤러(3200)는 데이터 저장 장치(3000)의 외부 회로로부터 수신된 제어 신호들에 기초하여 비휘발성 메모리(3100)를 제어할 수 있다. 비휘발성 메모리(3100)의 3 차원 메모리 어레이 구조는, 예를 들면, 채널 적층형 구조, 또는 수직형 구조일 수 있으며, 상기 구조는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 10, the data storage device 3000 may include a nonvolatile memory 3100 and a memory controller 3200. The memory controller 3200 may control the nonvolatile memory 3100 based on control signals received from an external circuit of the data storage device 3000. The three-dimensional memory array structure of the nonvolatile memory 3100 may be, for example, a channel stacked structure or a vertical structure, and the structure is exemplary, but the present invention is not limited thereto.

본 발명의 데이터 저장 장치(3000)는 메모리 카드 장치, SSD 장치, 멀티미디어 카드 장치, SD 카드, 메모리 스틱 장치, 하드 디스크 드라이브 장치, 하이브리드 드라이브 장치, 또는 범용 직렬 버스 플래시 장치를 구성할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 데이터 저장 장치(3000)는 디지털, 카메라, 또는 개인 컴퓨터와 같은 전자 장치를 사용하기 위한 표준 또는 규격을 만족하는 메모리 카드일 수 있다.The data storage device 3000 of the present invention may constitute a memory card device, an SSD device, a multimedia card device, an SD card, a memory stick device, a hard disk drive device, a hybrid drive device, or a general-purpose serial bus flash device. For example, the data storage device 3000 of the present invention may be a memory card that satisfies a standard or a standard for using an electronic device such as a digital, a camera, or a personal computer.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(4100) 및 이를 포함하는 컴퓨팅 시스템(4000)을 도시하는 블록도이다.FIG. 11 is a block diagram illustrating a nonvolatile memory device 4100 and a computing system 4000 including the same, according to an exemplary embodiment.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 컴퓨팅 시스템(4000)은 버스(4400)에 전기적으로 연결된 비휘발성 메모리 소자(4100), 메모리 컨트롤러(4200), 베이스밴드 칩셋(baseband chipset)과 같은 모뎀(4300), 마이크로프로세서(4500), 그리고 사용자 인터페이스(4600)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 11, a computing system 4000 according to the present invention includes a modem 4300 such as a nonvolatile memory device 4100, a memory controller 4200, and a baseband chipset electrically connected to a bus 4400. ), A microprocessor 4500, and a user interface 4600.

도 11에 도시된 비휘발성 메모리 소자(4100)는 전술한 비휘발성 메모리 소자일 수 있다. 본 발명에 따른 컴퓨팅 시스템(4000)은 모바일 장치일 수 있으며, 이 경우, 컴퓨팅 시스템(4000)의 동작 전압을 공급하기 위한 배터리(4700)가 더 제공될 수 있다. 도시하지는 아니하였지만, 발명에 따른 컴퓨팅 시스템에는 응용 칩셋(application chipset), 카메라 이미지 프로세서(Camera Image Processor: CIS), 또는 모바일 디램이 더 제공될 수 있다. 메모리 컨트롤러(4200) 및 비휘발성 메모리 장치(4100)는, 예를 들면, 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리 소자를 사용하는 SSD(Solid State Drive/Disk)를 구성할 수 있다.The nonvolatile memory device 4100 illustrated in FIG. 11 may be the aforementioned nonvolatile memory device. The computing system 4000 according to the present invention may be a mobile device, in which case a battery 4700 for supplying an operating voltage of the computing system 4000 may be further provided. Although not shown, the computing system according to the present invention may further be provided with an application chipset, a camera image processor (CIS), or a mobile DRAM. The memory controller 4200 and the nonvolatile memory device 4100 may configure, for example, an SSD (Solid State Drive / Disk) using a nonvolatile memory device that stores data.

본 발명에 따른 비휘발성 메모리 소자 그리고/또는 메모리 컨트롤러는 다양한 형태들의 패키지를 이용하여 실장될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 비휘발성 메모리 소자 그리고/또는 메모리 컨트롤러는 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), System In Package(SIP), Multi-Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), 또는 Wafer-Level Processed Stack Package(WSP)와 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다.The nonvolatile memory device and / or memory controller according to the present invention may be mounted using various types of packages. For example, the nonvolatile memory device and / or the memory controller according to the present invention may be a package on package (PoP), ball grid arrays (BGAs), chip scale packages (CSPs), plastic leaded chip carrier (PLCC), plastic dual in Line Package (PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board (COB), Ceramic Dual In-Line Package (CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack (MQFP), Thin Quad Flatpack (TQFP), Small Outline (SOIC), Shrink Small Outline Package (SSOP), Thin Small Outline (TSOP), System In Package (SIP), Multi-Chip Package (MCP), Wafer-level Fabricated Package (WFP), or Wafer-Level Processed It can be implemented using packages such as Stack Package (WSP).

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and alterations are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention, which are common in the art. It will be apparent to those who have knowledge.

Claims (16)

산소 이온 저장원을 포함하는 제 1 전극;
상기 산소 이온과의 산화 또는 환원 반응에 따라 전기적 또는 자기적 성질 중 적어도 어느 하나의 스위칭이 발생하는 제 2 전극; 및
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되고, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 상기 산소 이온의 전달 경로를 제공하는 가역적 컨덕팅 필라멘트를 갖는 브라운밀러라이트(Brownmillerite) 구조의 산소 이온 전달층을 포함하며,
상기 브라운밀러라이트 구조는 우선 배향된 밀러 지수 (111) 면을 포함하는 스위칭 소자.
A first electrode comprising an oxygen ion storage source;
A second electrode in which at least one of electrical and magnetic switching occurs in response to an oxidation or reduction reaction with the oxygen ions; And
Oxygen ion transfer of Brown Millerite structure disposed between the first electrode and the second electrode and having a reversible conducting filament that provides a transfer path of the oxygen ions between the first electrode and the second electrode. Including layers,
The Brown Millerite structure first comprises an oriented Miller Index (111) plane.
제 1 항에 있어서,
상기 전기적 성질은, 컨덕턴스, 초전기(pyroelectriity), 압전성 또는 초전도성 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
상기 자기적 성질은, 자력 또는 상자성체와 강자성체 사이의 상변화 중 어느 하나를 포함하며,
상기 우선 배향된 밀러 지수 (111) 면은 경사 배향되어 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 가로지르는 스위칭 소자.
The method of claim 1,
The electrical property includes at least one of conductance, pyroelectriity, piezoelectric or superconducting,
The magnetic property includes any one of magnetic force or phase change between paramagnetic and ferromagnetic bodies,
The preferentially oriented Miller Index (111) plane is obliquely oriented so as to cross the first electrode and the second electrode.
산소 이온 저장원을 포함하는 제 1 전극;
상기 산소 이온과의 산화 또는 환원 반응에 따라 전기적 또는 자기적 성질 중 적어도 어느 하나의 스위칭이 발생하는 정보저장층을 포함하는 제 2 전극; 및
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되고, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 상기 산소 이온의 전달 경로를 제공하는 가역적 컨덕팅 필라멘트를 갖는 브라운밀러라이트(Brownmillerite) 구조의 산소이온 전달층을 포함하며,
상기 브라운밀러라이트 구조는 우선 배향된 밀러 지수 (111) 면을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
A first electrode comprising an oxygen ion storage source;
A second electrode including an information storage layer in which at least one of electrical and magnetic switching occurs in response to an oxidation or reduction reaction with the oxygen ions; And
Oxygen ion transfer of Brown Millerite structure disposed between the first electrode and the second electrode and having a reversible conducting filament that provides a transfer path of the oxygen ions between the first electrode and the second electrode. Including layers,
The Brown Millerite structure first comprises an oriented Miller Index (111) plane.
제 3 항에 있어서,
상기 산소이온 전달층은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 인가된 외부 전력 신호의 인가에 의해, 상기 브라운밀러라이트 구조 내의 적어도 일부에서 페로브스카이트 결정 구조로의 토포택틱 상전이(topotactic phase transition)를 통해 상기 가역적 컨덕팅 필라멘트를 형성하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 3, wherein
The oxygen ion transport layer has a topotactic phase transition from at least a portion of the Brown Millerite structure to a perovskite crystal structure by application of an external power signal applied to the first electrode and the second electrode. And forming the reversible conducting filament.
제 3 항에 있어서,
상기 산소이온 전달층은, SrFeOx, SrCoOx Ca2Al2O5, Ca2Fe2O5, 또는 Ca2SiO4(x는 화학양론적 또는 비화학양론적 실수임)을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 3, wherein
The oxygen ion transport layer is a non-volatile comprising SrFeO x , SrCoO x Ca 2 Al 2 O 5 , Ca 2 Fe 2 O 5 , or Ca 2 SiO 4 (x is a stoichiometric or non-stoichiometric real number) Memory elements.
제 3 항에 있어서,
상기 산소이온 전달층의 두께는 20 nm 내지 500 nm의 범위 내인 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 3, wherein
The thickness of the oxygen ion transfer layer is a nonvolatile memory device in the range of 20 nm to 500 nm.
제 3 항에 있어서,
상기 산소 이온 저장원은 도전성 금속 산화물을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 3, wherein
And the oxygen ion storage source comprises a conductive metal oxide.
제 7 항에 있어서,
상기 도전성 금속 산화물은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 7, wherein
And the conductive metal oxide has a perovskite crystal structure.
제 3 항에 있어서,
상기 우선 배향된 밀러 지수 (111) 면은 경사 배향되어 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 가로지르는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 3, wherein
And wherein the preferentially oriented Miller Index (111) plane is obliquely oriented to traverse the first electrode and the second electrode.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 상기 페로브스카이트 결정 구조를 형성하기 위한 페로브스카이트 결정 구조의 에피택셜 기저층을 포함하며,
상기 에피택셜 기저층은 우선 배향된 밀러지수 (111) 면을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 4, wherein
The first electrode comprises an epitaxial base layer of a perovskite crystal structure for forming the perovskite crystal structure,
And wherein said epitaxial base layer comprises an oriented Miller Index (111) plane first.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 전극에 결합되는 제 1 도전성 라인; 및
상기 제 2 전극에 결합되는 제 2 도전성 라인을 더 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 3, wherein
A first conductive line coupled to the first electrode; And
And a second conductive line coupled to the second electrode.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 도전성 라인과 상기 제 2 도전성 라인을 선택하여, 상기 제 1 전극과 제 2 전극을 통하여 흐르는 전기적 포밍 신호의 인가에 의해, 상기 브라운밀러라이트 구조 내의 적어도 일부에서 페로브스카이트 결정 구조로의 토포택틱 상전이(topotactic phase transition)를 통해 상기 가역적 컨덕팅 필라멘트를 형성하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 11,
By selecting the first conductive line and the second conductive line, by applying an electrical forming signal flowing through the first electrode and the second electrode, at least a portion of the Brown Millerite structure to the perovskite crystal structure And forming the reversible conducting filaments through the topotactic phase transition.
산소 이온 저장원을 포함하는 제 1 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극 상에 브라운밀러라이트(Brownmillerite) 구조의 산소 이온 전달층을 형성하는 단계;
상기 산소 이온 전달층 상에 상기 산소 이온과의 산화 또는 환원 반응에 따라 전기적 또는 자기적 성질 중 적어도 어느 하나의 스위칭이 발생하는 정보 저장층을 포함하는 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 브라운밀러라이트 구조는 우선 배향된 밀러 지수 (111) 면을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
Forming a first electrode comprising an oxygen ion storage source;
Forming an oxygen ion transport layer having a brown millerite structure on the first electrode;
Forming a second electrode on the oxygen ion transfer layer, the second electrode including an information storage layer on which at least one of electrical and magnetic properties occurs in response to an oxidation or reduction reaction with the oxygen ions,
The Brown Millerite structure first comprises a oriented Miller Index (111) plane.
제 13 항에 있어서,
제 1 전극을 형성하는 단계 이전에, 페로브스카이트 결정 구조의 비도전성 에피택셜 기저층을 형성하는 단계를 더 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
Prior to forming the first electrode, further comprising forming a non-conductive epitaxial base layer of a perovskite crystal structure.
제 14 항에 있어서,
상기 비도전성 에피택셜 기저층은 우선 배향된 밀러지수 (111) 면을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 14,
And wherein said non-conductive epitaxial base layer comprises a oriented Miller Index (111) plane first.
제 13 항에 있어서,
상기 우선 배향된 밀러 지수 (111) 면은 경사 배향되어 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 가로지르는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
And wherein the preferentially oriented Miller Index (111) plane is obliquely oriented to intersect the first electrode and the second electrode.
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